UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL

Transcription

1 UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL Carmen Ema Panaite Bogdan Horbaniuc Facultatea de Mecanică, Iași

2 CUPRINS INTRODUCERE...5 Capitolul 1. AERUL UMED. NOȚIUNI GENERALE Proprietățile fizice ale aerului umed Diagrama Mollier (Diagrama h-x) Transformările simple ale aerului umed Determinarea parametrilor de stare cu ajutorul programului CoolPack...19 Capitolul 2. TRATAREA COMPLEXĂ A AERULUI ÎN CENTRALA DE CLIMATIZARE Tratarea complexă a aerului în perioada de iarnă Considerații generale Scheme de tratare complexă pentru perioada de iarnă Sarcina termică și de umiditate pentru perioada de iarnă Tratarea complexă a aerului în perioada de vară Considerații generale Scheme de tratare complexă pentru perioada de vară Sarcina termică și de umiditate pentru perioada de vară...31 Capitolul 3. UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ Lanțul frigorific Metode de prelucrare prin frig Refrigerarea produselor alimentare Generalități Metode și instalații de refrigerare Refrigerarea cu/în aer Refrigerarea cu agenți criogenici Refrigerarea cu agenți intermediari Refrigerarea prin evaporare în vid Refrigerarea în schimbătoare de căldură Congelarea produselor alimentare Generalități Metode de congelare Instalații de congelare

3 Capitolul 4. DEPOZITE FRIGORIFICE. IZOLAREA SPAȚIILOR RĂCITE Depozite frigorifice. Construcție.Clasificare Izolații termice Calculul grosimii izolației Bariere de vapori Calculul sarcinii frigorifice a depozitului Sarcina transmisă Sarcina corespunzătoare produselor Sarcina internă Sarcina de infiltrații Capitolul 5. UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL ÎN LUCRĂRILE DE CONSTRUCȚII. ÎNGHEȚAREA SOLULUI Considerații generale privind înghețarea solului Construcția instalației de înghețare a solului Elemente de proiectare a instalației frigorifice Exemple de instalații pentru consolidarea solului...92 Capitolul 6. PATINOARE ARTIFICIALE Generalități. Elemente constructive Sistemul de răcire a plăcii patinoarului...98 BIBLIOGRAFIE

4 INTRODUCERE Răcirea reprezintă procesul de extragere a energiei termice de la un corp, această energie fiind transferată altui corp. Ca urmare, primul corp (corpul răcit) îşi micşorează temperatura, în timp ce temperatura celui de-al doilea corp creşte. Atât timp cât temperaturile celor două corpuri sunt mai mari decât cea a mediului ambiant, fenomenul are loc spontan. Dacă însă se doreşte răcirea şi menţinerea unui corp la o temperatură inferioară temperaturii mediului ambiant, atunci, conform principiului al doilea al termodinamicii, este necesar să se consume o anumită cantitate de energie astfel încât transferul de căldură să se realizeze în sens invers celui natural, adică de la corpul mai rece către corpul mai cald. Se spune că se obţine frigul artificial. Tehnica frigului = ansamblul de procedee, metode, utilaje şi instalaţii implicate în obţinerea frigului artificial. Domeniul de temperaturi acoperit de tehnica frigului: -273,15 C C frigul adânc (criogenia) C...0 C frigul industrial 5 C...20 C climatizarea aerului Domeniul frigului artificial este un domeniu cu realizări deosebit de importante într-un interval de timp relativ scurt (exemple: frigiderul, congelatorul, distribuția de produse alimentare către/în marilor oraşe, condiționarea aerului). Utilizarea frigului artificial: - industria alimentară (cel mai mare consumator de frig artificial) fabrici de bere, de prelucrare a laptelui, a cărnii, procese tehnologice ce necesită temperaturi scăzute; - industria chimică necesită puteri frigorifice foarte mari, într-o gamă foarte largă de temperaturi, de la cele pozitive (0 C...15 C) ajungând până la temperaturi foarte scăzute, corespunzătoare lichefierii diferitelor gaze (-186 C pentru oxigen; -196 C pentru azot); - construcţii îngheţarea terenurilor acvifere în vederea realizării diferitelor lucrări (puţuri de mină cu o adâncime > 500 m, galerii pentru liniile de metrou, lucrări portuare...); - sport patinoare artificiale pentru formarea şi menţinerea stratului de gheaţă; - trasporturi (feroviare, maritime, rutiere, aeriene) transport produse perisabile sau gaze lichefiate; - condiţionarea aerului - pentru scopuri tehnologice sau pentru confort (săli de spectacole, restaurante, spitale, locuinţe, mijloace de transport; - biologie, medicină conservarea ţesuturilor şi organelor umane, anesteziere în cazul intervenţiilor chirurgicale; - electronică pentru răcirea componentelor electronice. 4

5 Capitolul 1 AERUL UMED. NOŢIUNI GENERALE Aerul ambiant, care constituie atmosfera Pământului, reprezintă un agent de lucru frecvent utilizat în aplicaţii termotehnice ca, de exemplu: în calitate de comburant pentru motoarele termice cu piston şi cu turbină sau pentru focarele generatoarelor de abur, în toate aceste cazuri oxigenul din aer servind la arderea combustibilului; ca agent de lucru pentru compresoare şi pentru motoare pneumatice; pentru uscarea convectivă a materialelor (lemn, produse vegetale, materiale de construcţii); la climatizarea industrială şi rezidenţială, în scopuri tehnologice sau de confort; pentru refrigerarea şi congelarea, în general, conservarea produselor alimentare; la răcirea apei în turnurile de răcire ale termocentralelor Proprietăţile fizice ale aerului umed Compoziţia aerului umed În general, aerul înconjurător este aer umed şi este un amestec de gaze şi vapori de apă, în care ponderea cea mai mare o au azotul şi oxigenul. Dacă este lipsit complet de vapori de apă, aerul este denumit aer uscat. Compoziţia aerului uscat variază neesenţial în timp şi în spaţiu, la suprafaţa Pământului sau în altitudine. La înălţimi mari, predomină însă gazele uşoare. De menţionat că, de regulă, aerul atmosferic este poluat, adică în el se regăsesc o serie de substanţe chimice în stare gazoasă, rezultate din procese industriale şi din natură sau din emisiile de la automobile (CO, SO2, NH3), precum şi particule solide (praf) de natură minerală, organică, vegetală sau fum (funingine) rezultate din arderea incompletă a combustibililor în instalaţiile energetice industriale şi în motoarele cu piston. Nocivitatea acestor substanţe asupra mediului ambiant şi asupra organismului uman impune eforturi permanente de diminuare a acestora prin perfecţionarea proceselor industriale din care provin. În multe din aplicaţiile termotehnice, se consideră că aerul uscat se compune numai din azot şi oxigen, participaţiile masice ale acestora fiind 0,77 şi 0,23, iar participaţiile volumice, 0,79 şi, respectiv, 0,21. Nu în toate situaţiile este permisă această simplificare. În probleme de microclimat (controlul purităţii aerului, diluarea noxelor degajate), în probleme de poluare, pentru unele din procesele de tratare a aerului (filtrare), aerul atmosferic este privit în toată complexitatea lui. 5

6 Presiunea aerului umed Presiunea aerului umed, constând din aer uscat şi vapori de apă, se exprimă pe baza legii lui Dalton, adică, p p a p v [Pa] (1.1) pa şi pv fiind presiunea parţială a aerului uscat şi, respectiv, presiunea parţială a vaporilor de apă din aerul umed. În cazul aerului atmosferic, presiunea acestuia este presiunea barometrică, pb, a cărei valoare la starea fizică normală este de 760 torr (mm Hg) = 1,013 bar (la nivelul mării). Aerul umed este considerat un amestec de gaze perfecte, vaporii de apă fiind în stare supraîncălzită. De aceea, se pot aplica legile gazului perfect atât pentru amestec, cât şi pentru componentele sale (aer uscat şi vapori de apă): pv mrt, pentru amestec ; (1.2) p V m R T a p V m R T v a v a v, pentru aer uscat şi pentru vaporii de apă. (1.3) (1.4) Aici, ma şi mv reprezintă masa de aer uscat şi, respectiv, masa de vapori din volumul V ocupat de aerul umed, iar Ra şi Rv sunt constantele caracteristice ale aerului uscat, respectiv, ale vaporilor de apă (Ra = 287 J / kgk şi Rv = 461,5 J / kgk). Se observă că V = Va + Vv (volumul amestecului este egal cu suma volumelor parţiale ale componentelor, aer uscat şi vapori de apă). În aerul umed nesaturat cu temperatura T, presiunea parţială a vaporilor de apă, pv, este mai mică decât presiunea de saturaţie, ps, corespunzătoare temperaturii T. Deci aerul umed nesaturat mai are capacitatea de a îngloba vapori de apă. Aerul umed saturat cu temperatura T se caracterizează prin aceea că presiunea parţială a vaporilor de apă, pv, este egală cu presiunea de saturaţie, ps, corespunzătoare temperaturii T. Deci aerul umed saturat conţine o cantitate maximă de vapori Temperatura aerului umed Aerul umed este caracterizat de temperatura termometrului uscat, temperatura termometrului umed şi temperatura punctului de rouă. Temperatura termometrului uscat, t, reprezintă temperatura reală a aerului umed şi se măsoară cu un termometru cu lichid (mercur) sau electric (termorezistenţă), cu o clasă de precizie adecvată, elementul său sensibil (rezervorul de lichid) fiind uscat şi protejat împotriva 6

7 radiaţiei termice. Prin temperatura aerului umed se înţelege, de fapt, temperatura termometrului uscat. Temperatura termometrului umed, t, este temperatura indicată de un termometru similar, cu aceeaşi clasă de precizie, dar având elementul sensibil înfăşurat într-un material textil umezit. Dacă aerul umed este saturat cu vapori de apă, temperaturile indicate de cele două termometre, termometrul uscat şi termometrul umed, sunt egale (t = t ). Dacă aerul umed este nesaturat, termometrul umed indică o temperatură mai mică decât termometrul uscat (t < t). Cu cât aerul este mai nesaturat, cu atât diferenţa dintre cele două temperaturi, denumită diferenţa psihrometrică, este mai mare. La limită, dacă aerul este (complet) uscat, diferenţa psihrometrică este maximă. Temperatura punctului de rouă, tr, reprezintă temperatura la care începe condensarea vaporilor de apă din aerul umed, în timpul răcirii lor la presiune constantă. Se observă că pentru aerul umed saturat, aflat la temperatura t, pv = ps iar tr = t = t. Pentru aerul umed nesaturat, caracterizat de pv < ps, relaţia între cele trei temperaturi este tr < t < t Umiditatea aerului Umiditatea aerului se evaluează prin conţinutul de umiditate, umiditatea absolută şi prin umiditatea relativă. Conţinutul de umiditate a aerului, x, exprimă masa de vapori de apă care revine la un kilogram de aer uscat: m v x [kg vapori/kg aer uscat] (1.5) m a În decursul proceselor termodinamice la care poate fi supus aerul umed, masa aerului uscat este singura mărime conservativă şi, de aceea, ea a fost aleasă ca mărime de referinţă pentru exprimarea mărimilor de stare specifice aerului umed. Pentru explicitarea conţinutului de umiditate se au în vedere ecuaţiile (3) şi (4), precum şi (1), obţinându-se: x R a v v 0, 622 R v p p a ,5 p p p v p v p p v [kg vapori/kg aer uscat] (1.6) Conţinutul maxim de umiditate, xs, corespunde aerului saturat, în care pv = ps, astfel că expresia de mai sus devine: x s, 622 p s 0 [kg vapori/kg aer uscat] (1.7) p ps Umiditatea absolută, a, reprezintă masa vaporilor de apă conţinuţi într-un metru cub de aer umed şi se determină cu relaţia: 7

8 mv a [kg vapori/m 3 aer umed] (1.8) V Umiditatea relativă,, reprezintă raportul dintre masa de vapori de apă existentă în aerul umed, mv, şi masa (maximă) de vapori de apă, ms, pe care ar putea să o conţină aerul respectiv la starea de saturaţie corespunzătoare aceloraşi valori ale presiunii şi temperaturii, adică m p V R T p x v v v v (1.9) ms RvT psv ps xs Umiditatea relativă se exprimă fie prin valori absolute, [ 0, 1 ], fie prin valori procentuale, [ 0, 100 ] %. Se disting următoarele cazuri particulare: = 0 (sau 0%) pentru aerul uscat; = 1 (sau 100%) pentru aerul umed saturat; < 1 (sau 100%) pentru aerul umed nesaturat Căldura specifică (masică) a aerului umed De regulă, aerul umed este considerat ca agent de lucru în cadrul unor procese izobare, desfăşurate la diferenţe mici de presiune faţă de presiunea atmosferică. Ca urmare, se foloseşte căldura specifică la presiune constantă.valorile aproximative folosite în calcule pentru căldura specifică a aerului uscat şi pentru cea a vaporilot de apă sunt următoarele: cpa = 1,006 [kj / kg K] şi cp v = 1,863 [kj / kg K]. Căldura specifică izobară a aerului umed se determină considerându-se un amestec format dintr-un kilogram de aer uscat şi x kilograme de vapori de apă: c p c x c x 1 p a p v [kj/kg aer umedk] (1.10) 1 Dacă se raportează la un kilogram de aer uscat, căldura specifică a aerului umed este c p c p a x c p v [kj/kg aer uscatk] (1.11) Această expresie se obţine şi dacă în relaţia (7.24) se are în vedere că x << 1. În calculele obişnuite, se foloseşte relaţia aproximativă, c p 1,006 x 1,863 [kj/kg aer uscatk] (1.12) Entalpia masică/specifică a aerului umed Entalpia masică a aerului umed, h, se exprimă fie în [kj / kg aer uscat], fie în [kj / (1+ x) kg aer umed]. Starea de referinţă este starea fizică normală (0 o C), entalpiile componenţilor aerului umed la o temperatură oarecare t fiind date de relaţiile: 8

9 h a c p a t [kj/kg aer uscat] (1.13) şi h v r c p v t [kj/kg vapori] (1.14) Entalpia masică a amestecului format de un kilogram de aer uscat şi x kilograme de vapori de apă este 1 ha x hv h 1 x c p a t x r c 1 x p v t [kj/kg aer umed] (1.15) Cum conţinutul de umiditate este foarte mic (x << 1), entalpia se calculează cu relaţia aproximativă: h c p a t x r c p v t [kj/kg aer uscat] (1.16) Căldura latentă de vaporizare a apei, r, la 0 o C, este de 2500 kj / kg. Cu constantele menţionate mai sus, expresia entalpiei masice izobare a aerului umed este determinabilă cu relaţia următoare:,006 1,863 x t x h c p t r x (1.17) 1.2. Diagrama Mollier (Diagrama h-x) pentru aer umed Principiul de trasare a diagramei h-x pentru aer umed Analiza proceselor la care este supus aerul umed se efectuează comod prin metode grafice, bazate pe diagrame trasate la o presiune totală constantă, corespunzătoare stării fizice normale (760 torr). O diagramă frecvent utilizată este diagrama h - x (diagrama Mollier). Ea permite urmărirea transformărilor izobare ale aerului umed şi este trasată cu ajutorul relaţiei (17), pentru o anumită presiune p. Pe diagrama Mollier (fig. 1.1) se disting următoarele curbe şi drepte caracteristice: - izentalpele (dreptele h = const), paralele cu dreapta h = 0, plasate echidistant şi înclinat faţă de axa Ox, panta fiind, conform (17), tg = 2500; - dreptele x = const, verticale şi echidistante; - izotermele (dreptele t = const), neparalele, formând un fascicul divergent şi având panta, conform (1.17), tg = 1,863 t; - curbele = const formând un fascicul divergent; - curba presiunii parţiale a vaporilor de apă. 9

10 Pe lângă dreptele şi curbele menţionate, în diagrama h - x se mai disting: - curba limită de saturaţie, = 1, care împarte diagrama în două zone: - zona superioară, corespunzătoare aerului umed nesaturat, cu < 1; - zona inferioară, corespunzătoare aerului suprasaturat (zona de ceaţă); - intersecţiile izotermelor cu curba limită, = 1, care indică saturarea aerului cu vapori de apă la temperaturile respective. Fig Diagrama Mollier pentru aer umed (trasare stilizată) Determinarea grafică a mărimilor de stare ale aerului umed Un punct oarecare din diagrama h - x corespunde unei anumite stări a aerului umed. Plasarea pe diagramă a unui punct de stare necesită cunoaşterea a două mărimi de stare, care, de regulă, sunt temperatura t, măsurată cu termometrul uscat, şi umiditatea relativă,, măsurată cu un higrometru. În mod riguros, la determinarea stării aerului umed trebuie folosită o diagramă h- x corespunzătoare presiunii barometrice locale momentane. În funcţie de valorile şi t curente, se obţine poziţia corespunzătoare stării aerului umed în diagrama h - x, de ex., punctul A pe Fig Punctul respectiv este caracterizat prin valorile h, x şi pv. Rezultă grafic: - punctul de saturaţie, B, plasat la intersecţia dintre izoterma t şi curba limită = 1, care se poate obţine printr-un proces de umidificare izotermică a aerului, până la saturaţie, la t = const; punctului respectiv îi corespund mărimile hs, xs şi ps; 10

11 - punctul de rouă, C, plasat la intersecţia dintre dreapta x = const şi curba limită = 1, care se poate obţine printr-un proces de răcire a aerului, până la saturaţie, la x = const; temperature punctului C este tocmai temperatura punctului de rouă definită anterior. - temperatura termometrului umed, t, adică temperatura corespunzătoare izotermei ce trece prin punctul D, plasat la intersecţia dintre izentalpa h = const şi curba limită = 1, care se poate obţine printr-un proces de umidificare adiabatică a aerului până la starea de saturaţie; punctului respectiv îi corespund mărimile t, xs şi ps. Fig Determinarea grafică a mărimilor de stare pentru aerul umed Adesea, în laborator, umiditatea relativă a aerului se determină cu ajutorul psihrometrului, care măsoară diferenţa psihrometrică, adică diferenţa dintre temperatura termometrului uscat, t, şi temperatura termometrului umed, t Se menţionează că pe baza valorilor t şi t, diagrama Mollier permite determinarea umidităţii relative φ, precum şi a celorlalte mărimi corespunzătoare punctului de stare pentru aerul umed, după modelul sugerat in fig Se procedează in felul următor: - se trasează izoterma corespunzătoare temperaturii termometrului umed, t =ct până la intersecţia cu curba de saturaţie φ = 1 (punctul D); - prin punctul astfel obţinut se trasează dreapta de entalpie constantă h = ct până intersectează izoterma corespunzătoare temperaturii termometrului uscat t = ct; noul punct de intersecţie A, punctul de stare pentru aerul umed, este caracterizat de mărimile x, φ, pv, tr, ps, xs. 11

12 Reprezentarea modificărilor de stare în diagrama h-x Se consideră un proces oarecare de modificare a stării aerului umed prin schimb de căldură şi de umiditate. În mod convenţional, un asemenea proces poate fi reprezentat în diagrama h - x (fig. 1.3) printr-o dreaptă, care uneşte starea iniţială, A (xa, ha) şi starea finală, B (xb, hb). Fig Diagrama h - x cu raza procesului În decursul procesului se înregistrează variaţia de entalpie de umiditate A h h B h şi variaţia de conţinut x x B x. Mărimea h x indică direcţia modificării de stare AB şi se numeşte raport de termoumiditate sau raza procesului. Pe perimetrul diagramei h - x apare o scară unghiulară, care indică valorile numerice pentru diferite direcţii, prin raze care pleacă din originea diagramei, adică din polul O, denumit polul scării. Cunoscându-se starea iniţială şi raportul de termoumiditate, pentru trasarea direcţiei procesului, pe diagrama h - x se duce prin punctul de stare respectiv o paralelă la raza corespunzătoare valorii de pe scara unghiulară. Se disting următoarele cazuri particulare: - încălzire la x = const (x = 0), pentru care h > 0 şi + ; - răcire la x = const (x = 0 ), pentru care h < 0 şi - ; - umidificare izotermică (t = const), pentru care = h / x = ,863 t; - umidificare adiabatică ( h = const şi h = 0 ), pentru care x > 0 şi = 0. Se observă că valorile raportului de termoumiditate pot fi cuprinse între - şi +. A 12

13 1.3. Transformările/procesele simple ale aerului umed Transformările la care este supus aerul umed sunt de amestecare, de încălzire, de răcire sau de umidificare şi au loc în instalaţiile de tratare a aerului (instalaţii de ventilaţie, de condiţionare, de climatizare). În asemenea instalaţii, procesele cu schimb de căldură şi de umiditate pot fi comod urmărite în diagrama h - x. Din multitudinea transformărilor întâlnite în tehnică, prezintă interes cele care se desfăşoară la x = const, la h = const sau procesul de amestecare a două cantităţi de aer umed cu stări diferite Transformarea de stare la menţinerea constantă a conţinutului de umiditate, (x = const) Procesele în care se produc transformări la x = const sunt următoarele: - încălzirea aerului umed, prin contact direct cu o suprafaţă caldă, uscată; - răcirea aerului umed, prin contact direct cu o suprafaţă rece, uscată, a cărei temperatură este mai mare decât temperatura punctului de rouă pentru aer. Fig Transformări ale aerului umed la x = const: încălzirea AC; răcirea AR Transformări de genul celor menţionate sunt reprezentate în diagrama h - x din figura 4, în care, încălzirea AC are direcţia = +, iar răcirea AR are direcţia = -. 13

14 Încălzirea aerului umed de la o suprafaţă mai caldă (transformarea AC, cu xa = xc = x = const) se produce ca urmare a unui aport de căldură care, pentru un kilogram de aer uscat, respectiv, pentru (1 + x) kg aer umed (în cadrul unei transformări izobare), este q AC h h c t xr c t c t xr c t c c xt t 1,006 1,863 xt t 0. pa C pv A C pa A C pv C pa C A A pv A (1.18) Răcirea aerului umed în contact cu o suprafaţă mai rece (transformarea AR, cu xa = xr = x = const) se produce ca urmare a cedării căldurii q AR h h c t xr c t c t xr c t c c xt t 1,006 1,863 xt t 0. pa R pv A R pa A R pv R pa R A A pv A (1.19) Transformarea de stare la temperatură constantă (izotermă) O transformare izotermică, AB, este posibilă prin aport de căldură (sub formă latentă) şi de umiditate (fig. 1.5), desfăşurându-se în sensul umidificării aerului (xb>xa). Ea se caracterizează prin: - căldura schimbată, q AB x x r c t x x c t hb ha B A pv B A 2500 pv (1.20) - creşterea conţinutului de umiditate, x x B x A (1.21) - raportul de termoumiditate h , 863 t h v (1.22) x Aici, hv este entalpia masică a vaporilor de apă injectaţi în aerul umed. 14

15 Fig Transformarea la t = const, produsă prin adăugare de vapori în aerul umed O transformare inversă, în sensul micşorării umidităţii aerului, se realizează prin absorbţia sau adsorbţia umidităţii în substanţe chimice adecvate (clorură de calciu sau de litiu, pentru absorbţie, respectiv, zeolit sau silicagel, pentru adsorbţie). Fenomenele respective fiind exoterme, pentru menţinerea constantă a temperaturii este necesară evacuarea căldurii rezultate folosind un procedeu de răcire Transformarea de stare la entalpie constantă (izentalpică) O asemenea transformare se produce în cazul unui proces de umidificare adiabatică, obţinut prin pulverizarea fină a apei în curentul de aer. Temperatura apei pulverizate este egală cu temperatura termometrului umed pentru aer, mai mare decât temperatura punctului de rouă. Transformarea izentalpică AB (fig. 1.6) se caracterizează prin egalitatea ha = hb, care se explicitează conform (1.17) şi rezultă: t t 1,863 t x t x x x 1, (1.23) A B A A B B În concluzie, pe parcursul umidificării adiabatice se produce şi un schimb intern de căldură. Aerul cedează căldură, răcindu-se de la ta la tb, iar căldura respectivă serveşte la evaporarea cantităţii de apă x = xb - xa. Aerul cu umiditate mărită înmagazinează această căldură sub formă de căldură latentă de vaporizare a vaporilor de apă produşi. B A 15

16 Fig Transformarea aerului umed la h = const (izentalpică) Amestecarea a două cantităţi de aer cu stări diferite Se consideră două mase de aer umed, m1 şi m2, caracterizate de x1, h1, respectiv, x2, h2, conform stărilor 1 şi 2 de pe diagrama h - x din fig Prin amestecare adiabatică şi izobară, starea rezultantă corespunde punctului M, plasat pe dreapta care uneşte punctele 1 şi 2, denumită dreapta de amestec. Ecuaţiile de bilanţ sunt următoarele: - ecuaţia de bilanţ masic pentru aerul umed, m 1 m 2 m [kg aer umed]; (1.24) - ecuaţia de bilanţ termic, m1 m hm m1 h1 m2 h2 2 [kj]; (1.25) - ecuaţia de bilanţ masic pentru vaporii de apă, m m x M m 1 x 1 m 2 x [kg vapori de apă]. (1.26) 16

17 17 Fig Amestecarea a două cantităţi de aer umed cu stări diferite Prin rezolvarea sistemului format de aceste ecuaţii rezultă: M M M M x x h h x x h h [kj/kg vapori]. (1.27) Prima egalitate demonstrează că punctele 1, 2 şi M sunt coliniare şi se află pe dreapta de amestec. Se notează raportul m1 / m2 = n, care reprezintă raportul de amestec şi se explicitează ecuaţiile (1.25) şi (1.26) în funcţie de el, obţinându-se: n x x n x x n x x n n h h n h h n h h n M M M M. (1.28) (1.29) Punctul M împarte dreapta de amestec în două segmente, de lungimi L1 şi L2, corelate astfel: m m n x x x x L L M M. (1.30) De aici, rezultă că raportul dintre lungimile segmentelor L1 şi L2 este invers proporţional cu cantităţile participante la amestec Ca urmare, punctul de amestec M se plasează mai aproape de starea aerului cu pondere mai mare la formarea amestecului (logic şi uşor de intuit).

18 Evident, dacă masele de aer care se amestecă sunt egale, punctul de amestec se plasează la mijlocul dreptei de amestec (n = 1 L2 / L1 = 1). Rezultă o metodă grafică de analiză a proceselor de amestecare pe baza căreia se localizează punctul de amestec M şi se citesc în planul diagramei Mollier parametrii de stare corespunzători. Dacă punctul M se plasează în domeniul de ceaţă (cazul dreptei de amestec 1 2, din fig. 1.8), înseamnă că prin amestecarea a două cantităţi de aer umed nesaturat, aflate la stările 1 şi 2, se obţine aer umed saturat, cu parametrii punctului de amestec M (xs, hs). Cantitatea excedentară de vapori de apă, respectiv, m x M x S, se condensează şi formează ceaţă (apă lichidă sub formă de picături fine, dispersate uniform în aerul umed saturat). Fig Amestecarea a două cantităţi de aer umed zona de ceaţă Răcirea cu uscare Răcirea aerului se produce prin contact cu o suprafaţă rece a cărei temperatură este mai mică decât temperatura punctului de rouă. Suprafaţa rece poate fi reprezentată de suprafaţa exterioară a ţevilor şi a aripioarelor unui schimbător de căldură sau de suprafaţa picăturilor de apă pulverizate grosier în curentul de aer. Aerul se răceşte iniţial la x = const, devine saturat şi apoi evoluează după curba de saturaţie până la atingerea stării finale 2 (Fig. 1.9). Parametrii aerului la ieşirea din schimbătorul de căldură sau din camera de tratare cu apă se stabilesc în urma unui proces de amestecare între aer cu starea 1, neafectat de prezenţa suprafeţei reci şi aer saturat cu starea 2. Concomitent cu răcirea aerului se produce şi uscarea acestuia prin condensarea unei părţi din vaporii de apă din aer. 18

19 Fig Răcirea cu uscare 1.4. Determinarea parametrilor de stare cu programul CoolPack Mărimile de stare ale aerului umed pot fi determinate printr-o metoda modernă, utilizînd două module ale programului CoolPack (soft oferit gratuit de către Universitatea Tehnică a Danemarcei). Prima variantă de utilizare presupune determinarea acestor mărimi prin deplasarea cursorului în planul diagramei h-x, valorile parametrilor punctului de stare indicat de cursor fiind afişate automat în partea inferioară a diagramei (fig. 1.10). Fig Determinarea mărimilor de stare pentru aerul umed varianta 1 CoolPack 19

20 Înainte de activarea diagramei din modulul Refrigeration Utilities se aleg parametrii de configurare (fig. 1.11): presiunea totală, temperatura maximă şi minimă corespunzătoare izotermelor care intersectează curba de saturaţie, numărul maxim de izentalpe şi de izoterme reprezentate pe diagramă, numărul maxim al liniilor de conţinut de umiditate constant şi pasul cu care sunt reprezentate curbele de umiditate relativă constantă. In cazul climatizării, presiunea totală reprezintă presiunea aerului umed, respectiv presiunea barometrică. Interesant este faptul că prin introducerea presiunii totale se determină şi parametrii aerului comprimat, ceea ce nu este posibil prin utilizarea diagramelor clasice, trasate, de regulă numai pentru presiunea de 1 bar. Fig Parametrii de configurare a diagramei h - x A doua variantă de determinare a mărimilor de stare pentru aerul umed utilizează opţiunea Moist air Thermodynamical and Thermophysical Properties din modulul CoolTools: Auxiliary. Interfaţa programului lansat la selectarea acestei opţiuni conţine următoarele ferestre (fig. 3): - fereastra h-x DIAGRAM care prezintă alura curbelor care descriu mărimile de stare ale aerului umed (izoterme, izentalpe, curbe de umiditate relativă contantă, curba de saturaţie) precum şi metoda grafică de determinare a temperaturii termometrului umed şi a temperaturii punctului de rouă; - fereastra în care se introduc datele de intrare pe baza cărora se determină mărimile de stare ale aerului umed (temperatura, presiunea şi umiditatea exprimate în diverse forme sau unităţi de măsură); - fereastra în care sunt afişate valorile parametrilor, proprietăţilor termodinamice şi de transport (temperatura termometrului umed şi uscat, temperatura punctului de rouă, presiunea, umiditatea relativă, volumul specific, densitatea, viscozitatea cinemtică şi dinamică, conductivitatea termică, presiunea de saturaţie). 20

21 CoolPack Department of Mechanical Engineering Technical University of Denmark Version 1.46 TOOL A.13 MOIST AIR > THERMODYNAMICAL AND THERMOPHYSICAL (TRANSPORT) PROPERTIES SPECIFY STATE THERMODYNAMIC PROPERTIES Temperature (DRY) [ C] : 25,00 Absolute pressure [kpa] 101,3 Relative humidity [%] Const. specific enthalpy (h) Saturation curve 65 MOLLIER DIAGRAM (Enthalpy, Abs. Humidity) = Specified state point Const. relative humidity () Const. temperature (T DRY ) Const. humidity ratio (x) Wet temperature (T WET ) Dewpoint temperature (T DEW ) Temperature Pressure 25,00 [ C] 101,30 [kpa] Relative humidity 65,0 [%] Dewpoint temperature 17,97 [ C] Wet temperature 20,23 [ C] SPECIFIC PROPERTIES (per kg dry air) Humidity ratio Specific volume Density Specific enthalpy Specific heat capacity TRANSPORT PROPERTIES Dynamic viscosity 1,841E-05 [Pa s] Kinematic viscosity Thermal conductivity 0,01291 [kg/kg] 0,8623 [m 3 /kg] 1,16 [kg/m 3 ] 58,05 [kj/kg] 1,030 [kj/(kg K)] SPECIFIC PROPERTIES (per kg humid air) Specific volume 0,8623 [m 3 /kg] Density 1,175 [kg/m 3 ] 1,587E-05 [m 2 /s] 0,026 [W/(m K)] Note: Transport properties can't be calculated for temperatures lower than -3 C SATURATION PRESSURE p SAT (eqlib. with water) 3170 [Pa] Fig Determinarea mărimilor de stare pentru aerul umed varianta 2 CoolPack 21

22 Capitolul 2 TRATAREA COMPLEXĂ A AERULUI ÎN CENTRALA DE CLIMATIZARE Tratare complexă = o succesiune de procese simple la care este supus aerul exterior sau de amestec (exterior + recirculat), procese ce se realizează ca urmare a trecerii prin elemente de instalaţii numite baterii de încălzire, baterii de răcire, camere de tratare cu apă, camere de amestec. Modificarea stării aerului în interiorul agregatului de climatizare poate fi realizată în mai multe moduri, folosind un număr mai mare sau mai mic de procese simple a căror alegere urmăreşte reducerea cheltuielilor de investiţii şi a celor de exploatare prin realizarea unor consumuri minime de energie termică şi electrică. Mărimea agregatului de climatizare este determinată de debitul de aer tratat şi de sarcinile termice de răcire şi de încălzire pe care trebuie să le realizeze. Sarcina termică = cantitatea de cădură ce trebuie introdusă sau evacuată din încăpere pentru a menţine parametrii interiori impuşi ( t i, ); rezultă din însumarea algebrică a aporturilor sau i pierderilor de căldură din/către exterior, a degajărilor şi consumurilor pentru încăperea considerată. Rezolvarea problemei tratării complexe presupune două etape: - transpunerea în diagrama h x a proceselor simple, în succesiunea lor logică, pentru iarnă şi vară; - alcătuirea constructivă a agregatului capabil să realizeze procesele respective (semne convenţionale) Tratarea complexă a aerului în perioada de iarnă Considerații generale Pentru construcţia proceselor se cunosc sau se stabilesc următoarele puncte de stare: - starea aerului interior I ( ti, i ), impusă din considerente tehnologice sau de confort; - starea aerului exterior E ( t E, xe ) - STAS 1907/1; - starea aerului climatizat C, la iesirea din agregatul de climatizare, situată la intersecţia paralelei la raza procesului i dusă prin punctul I cu dreapta corespunzătoare uneia din valori 22

23 unde x C Gi xi sau L kg L debitul de aer tratat ; s h C Qi hi, L kg Gi sarcina de umiditate iarna ; s Qi sarcina Qi kj termică iarna W ; raza procesului i ; Gi kg - starea aerului de amestec M, situată la intersecţia dreptei IE cu una din dreptele x x M const si h const, L x L I I E E M ; LE LI x unde L E = debitul de aer prospăt M h kg ; s L h L h I I E E M, LE LI L I = debitul de aer recirculat kg ; s LI L L E ; - starea finală a procesului de umidificare adiabatică R, la intersecţia dreptei x C const cu R 0,9 0,95; - starea P, starea finală a primei etape de încălzire, la intersecţia dreptelor x M const şi h R const Scheme de tratare complexă pentru perioada de iarnă a) Situaţia în care punctul M se găseşte deasupra curbei de saturaţie Fig Tratarea complexă iarnă cu/fără recircularea aerului - M deasupra curbei de saturaţie 23

24 - procese componente - IE M proces de amestecare, realizat într-o cameră de amestec CA; - MP încălzirea aerului de amestec într-o baterie de încălzire; - PR umidificarea adiabatică, realizată într-o cameră de tratare cu apă CTA prin pulverizarea apei în regim de recirculare; - RC proces de reîncălzire, realizat cu o baterie de încălzire BI; - CI evoluţia stării aerului tratat în încăpere. - schema agregatului de climatizare b) Situaţia în care punctul de amestec M se găseşte sub curba de saturaţie Se prezintă două variante de tratare, cu două preîncălziri (Fig. 2a) şi cu o singură preîncălzire pe circuitul aerului exterior (Fig. 2b). b.1) cu două preîncălziri - procese componente: - EP preîncălzirea aerului exterior într-o baterie de încălzire BÎ; - IE M proces de amestecare, realizat într-o cameră de amestec CA; - MP încălzirea aerului de amestec într-o baterie de încălzire BÎ; - PR umidificarea adiabatică, realizată într-o cameră de tratare cu apă CTA prin pulverizarea apei în regim de recirculare; - RC proces de reîncălzire, realizat cu o baterie de încălzire BI; - CI evoluția stării aerului tratat în încăpere. 24

25 Fig a. Schema de tratare cu două preîncălziri - schema agregatului de climatizare b.2) cu o singură preîncălzire - procese componente: - EP preîncălzirea aerului exterior într-o baterie de încălzire BÎ; - IE M proces de amestecare, realizat într-o cameră de amestec CA; 25

26 - MR umidificarea adiabatică, realizată într-o cameră de tratare cu apă CTA prin pulverizarea apei în regim de recirculare; - RC proces de încălzire, realizat cu o baterie de încălzire BI; - CI evoluția stării aerului tratat în încăpere. Fig b. Schema de tratare cu o singură preîncălzire pe circuitul aerului exterior - schema agregatului de climatizare 26

27 Sarcina termică şi de umiditate pentru perioada de iarnă Sarcina termică = cantitatea de cădură ce trebuie introdusă sau evacuată din încăpere pentru a menţine parametrii interiori impuşi ( t, ); rezultă din însumarea algebrică a aporturilor sau i i i pierderilor de căldură din/către exterior, a degajărilor şi consumurilor pentru încăperea considerată. Q Q Q W SI Q SI = degajări de căldură de la sursele interioare (de la oameni, de la sursele de iluminat, de la maşinile şi aparatele electrice, de la materiale şi suprafeţe calde, de la corpurile de încălzire-radiatoare) Qcons cons consumuri de căldură ( pierderile către exterior conform STAS 1907/1 şi 1907/2, consumul de căldură pentru încălzirea erului infiltrat, consum de căldură pentru încălzirea materialelor reci aduse în încăpere). Sarcina de umiditate = suma algebrică a degajărilor, respectiv consumurilor de vapori de apă pentru încăperea climatizată: G G i SI G cons [ kg / s] - degajări de umiditate de la oameni, de la apa ce stagnează pe pardoseala, de la materiale umezite care se usucă în încăperi, de la maşini şi utilaje; - consumuri de vapori în general nesemnificative (absorbţie în cazul în care se lucrează cu materiale higroscopice, condensarea pe suprafeţe reci). Simboluri utilizate pentru elementele componente ale agregatului de climatizare: CA = cameră de amestec; F = filtru de praf; CTA= cameră de tratare cu apă; BI = baterie de încălzire; BR = baterie de răcire; V = ventilator Tratarea complexă a aerului în perioada de vară Considerații generale Pentru construcția proceselor se cunosc sau se stabilesc următoarele puncte de stare: 27

28 - starea aerului interior I ( ti, i ), impusă din considerente tehnologice sau de confort; - starea aerului exterior E ( t E, xe ) STAS 6648/2; De ex., t t c A, unde E m z tm este temperatura medie zilnică c A z este abaterea orară a temperaturii față de valoarea medie; - starea aerului de amestec M, situată la intersecţia dreptei IE cu una din dreptele x x M const L x L si h M const I I E E M ; LE LI x unde L E = debitul de aer prospăt h kg s L h L h I I E E M, LE LI ; L I = debitul de aer recirculat kg s - starea aerului climatizat C, la iesirea din agregatul de climatizare, situată la intersecţia paralelei la raza procesului v dusă prin punctul I şi izoterma t C const ; t C se determină cu relaţia tc t I t, unde t 4 7C ; raza procesului Qv kj v G v kg - starea finală a procesului de umidificare adiabatică R, la intersecţia dreptei x C const cu 0,9 0,95. R Scheme de tratare complexă pentru perioada de vară a) Răcirea şi uscarea se realizează prin pulverizarea apei reci în curentul de aer - procese componente: - IE M proces de amestecare, realizat într-o cameră de amestec CA; - MR proces de răcire cu uscare, realizat într-o cameră de tratare cu apă CTA prin pulverizarea apei răcite furnizată, de obicei, de o instalaţie frigorifică; - RC proces de reîncălzire, realizat cu o baterie de încălzire BI; - CI evoluţia stării aerului tratat în încăpere în urma căreia se preiau degajările de căldură şi de umiditate. 28

29 Fig Răcirea şi uscarea prin pulverizare de apă - schema agregatului de climatizare b) Schemă de tratare cu o baterie de răcire amplasată înaintea camerei de tratare cu apă - procese componente: - IE M proces de amestecare, realizat într-o cameră de amestec CA; - MU proces de răcire cu uscare, realizat într-o baterie de răcire alimentată cu apă furnizată de o instalaţie frigorifică; - UR proces de umidificare adiabatică realizat într-o cameră de tratare cu apă 29

30 CTA prin pulverizarea apei în regim de recirculare; - RC proces de reîncălzire, realizat cu o baterie de încălzire BI; - CI evoluţia stării aerului tratat în încăpere în urma căreia se preiau degajările de căldură şi de umiditate. Fig Amplasarea BR inainte de camera de pulverizare - schema agregatului de climatizare 30

31 Sarcina termică şi de umiditate pentru perioada de vară Sarcina termică = cantitatea de cădură ce trebuie evacuată din încăpere pentru a menţine parametrii interiori impuşi ( t, ); rezultă din însumarea algebrică a aporturilor de căldură din exterior şi a degajărilor de la suesele interioare. Q Q W i i v ap Q deg Q ap = aporturi de căldură din exterior prin elementele inerţiale (pereţi, terase), neinerţiale (ferestre, luminatoare) şi de la încăperile învecinate ; Q deg= degajări de căldură de la sursele interioare (oameni, iluminat, maşini şi utilaje acţionate electric, alte surse calde) Sarcina de umiditate = suma algebrică a degajărilor, respectiv consumurilor de vapori de apă pentru încăperea climatizată: G G i SI G cons [ kg / s] - degajări de umiditate de la oameni, de la apa ce stagnează pe pardoseala, de la materiale umezite care se usucă în încăperi, de la maşini şi utilaje; - consumuri de vapori în general nesemnificative (absorbţie în cazul în care se lucrează cu materiale higroscopice, condensarea pe suprafeţe reci). 31

32 Capitolul 3 UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ Frigul artificial are o largă utilizare în industria alimentară datorită acţiunii conservante pe care o are asupra alimentelor perisabile, prin frânarea sau chiar oprirea acţiunii agenţilor modificatori, atât timp cât alimentele sunt menţinute la temperaturi scăzute Lanțul frigorific Lanţ frigorific = reţea de unităţi în care se aplică tehnica temperaturilor scăzute în scopul conservării produselor alimentare Elementele lanţului frigorific: Lanţul frigorific este compus din: - unităţi fixe = mijloace de prelucrare şi conservare prin frig existente la - centrele de colectare; - centrele de producţie/prelucrare; - antrepozite de stocaj şi distribuţie; - unităţi comerciale şi de alimentaţie publică; - frigiderele de uz casnic; - unităţi mobile = mijloace de transport care fac legatura între unităţile fixe - pentru distanţe scurte mijloace izoterme (auto, vagoane cale ferată) - pentru distanţe lungi mijloace de transport frigorific (autofrigidere, trenuri şi nave frigorifice, avioane cu compartimente frigorifice). Mijloacele de transport frigorific au instalaţii frigorifice proprii care asigură menţinerea temperaturilor scăzute pe tot parcursul dintre două unităţi fixe. Principii generale considerate la proiectarea, execuţia şi exploatarea unui lanţ frigorific: - acţiunea frigului trebuie să intervină imediat după colectarea, recoltarea sau producerea alimentelor, când produsele au o încărcare microbiană minimă, iar acţiunea agenţilor modificatori nu s-a declanşat; - refrigerarea/congelarea produselor să se facă într-un timp scurt; 32

33 - produsele refrigerate/congelate trebuie menţinute continuu, pe tot parcursul lanţului frigorific la temperaturi optime, variaţia fiind de ± 1 C; - produsele supuse prelucrării/conservării prin frig trebuie să fie de foarte bună calitate; un produs alterat iniţial implică costuri inutile de congelare şi prezintă riscul de contaminare a altor produse sănătoase; - să se aplice condiţii specifice de temperatură, umiditate, număr optim de recirculări şi împrospătări de aer Metode de prelucrare prin frig - refrigerarea răcirea cât mai rapidă a produselor la temperaturi finale de 0 C...5 C, deci la temperaturi mai mari decât punctul de congelare; refrigerarea poate asigura stocarea produselor alimentare pe o perioadă de maxim 10 zile; - congelarea produsul este răcit la o temperatură finală de -18 C C; se aplică în scopul depozitării îndelungate, până la 24 de luni; - criodesicarea deshidratarea produselor în prealabil congelate, prin sublimarea cristalelor de gheaţă în vid; Observaţii: - frigul are un efect diferenţiat asupra diferitelor categorii de microorganisme; astfel, la temperaturi de 0 C...4 C inactivează total acţiunea unora (termofile-microorganisme iubitoare de căldură; mezofile-microorganisme cărora le priesc temperaturile moderate) şi încetineşte ritmul de înmulţire al altora (psihrotrofe-care fac trecerea spre cele psihrofile, psihrofile-care se dezvoltă la temperaturi mici), durata de pastrare recomandată fiind cu atât mai mare cu cât încărcarea microbiană iniţială este mai mică; la temperaturi de de -18 C efectul bacteriostatic este total; - agenţii fizico-chimici (aer, lumină, substanţe chimice cu rol antiseptic sau antioxidant) au o influenţă indirectă asupra activităţii microorganismelor şi enzimelor; la aerul din spaţiile frigorifice interesează umiditatea relativă, conţinutul de oxigen, starea de puritate; umiditatea aerului are influenţă asupra deshidratării produsului şi asupra dezvoltării microorganismelor; astfel, umiditatea scăzută favorizează pierderea de umiditate a prodului, aspect negativ, şi implicit frînează activitatea microorganismelor, care au nevoie de substanţe nutritive dizolvate în apă pentru a se dezvolta, aspect pozitiv valoarea optimă a umidităţii relative se stabileşte în urma unui compromis; conţinutul de oxigen favorizează dezvoltarea microorganismelor determinând modificări nedorite de culoare şi râncezirea grăsimilor din compoziţia alimentelor; acţiunea este cu atât mai lentă cu cât temperatura este mai scăzută; utilizarea ambalajelor ermetice sub vid dă rezultate mai bune, dar ridică costurile de fabricaţie; starea de puritate sunt situaţii în timpul depozitării unor produse refrigerate (legume, fructe, lactate) sau la procesarea prin fermentaţie (industria berii) când aerul din încăperile 33

34 respective trebuie periodic împrospătat (printr-un aport de aer proaspăt din exterior) pentru a menţine concentraţia diferitelor noxe sub limita admisibilă Refrigerarea produselor alimentare Generalități - refrigerarea = răcirea și conservarea prin frig a alimentelor la temperaturi mai mari decât punctul de congelare, caracteristica fundamentală fiind absența gheții în produs; Institutul Britanic pentru Ştiinţa şi Tehnologia Alimentelor (IFST) defineşte alimentele refrigerate ca produse perisabile care, în scopul prelungirii duratei de conservare a integrităţii, sunt păstrate între anumite limite de temperatură, superioare valorii de - 1 C ; - scopul primordial al refrigerării este acela de a încetini activitatea microorganismelor, întârziind astfel procesele de alterare a alimentelor; alimentele își mențin pentru o perioadă relativ scurtă de timp calităţile, astfel încât acestea să fie apte pentru un consum/prelucrare imediată; astfel, se asigură condiţiile pentru transportul legumelor şi fructelor de la locul de recoltare, al cărnii de la abator sau al peştelui de la râul sau lacul unde a fost pescuit până la locul de vânzare (magazin), de consum (restaurant de exemplu), de depozitare sau de prelucrare; - gama produselor refrigerate este foarte diversă, temperaturile maxime la care pot fi păstrate în stare refrigerată produsele find reglementate la nivel internațional: carne (porc, vită) C carne de pui C produse din carne nestabilizate C măruntaie C vânat C peşte, moluşte, crustacee....în gheaţă, la 0 C lapte pentru consum imediat C unt C lapte pentru industrializare C iaurt, kefir, brânză proaspătă, smântână C Metode și instalații de refrigerare Sunt aplicate următoarele metode de refrigerare: - refrigerarea cu aer; - refrigerarea prin contact cu agenți intermediari (prin imersie în apă, saramură; prin contact cu gheață hidrică); - refrigerarea în vid; - refrigerarea în schimbătoare de căldură (pentru lichide și produse vâscoase de tipul cremelor, piureurilor, pastelor). 34

35 Instalaţiile de refrigerare sunt de două tipuri: - instalaţii care răcesc produsele de la temperatura mediului ambiant până la temperatura necesară stocării în stare refrigerată, numite instalaţii de răcire; - instalaţii care asigură păstrarea produselor refrigerate la temperatura prescrisă pe perioada de timp necesară, numite instalaţii pentru depozitarea produselor refrigerate Refrigerarea cu/în aer Noțiuni generale. Clasificare Este procedeul cu cea mai largă utilizare, fiind aplicat tuturor tipurilor de produse. mediul de răcire = aer avantaje (costuri reduse şi simplitate dpdv tehnic; neafectarea însuşirilor oganoleptice ale produselor; lipsa unor restricţii suplimentare impuse ambalajelor utilizate, nu se afectează integritatea acestora) dezavantaje (viteze de răcire mai reduse ceea ce determină durate mari ale procesului de refrigerare; pierderi de masă prin deshidratare parţială; posibilitatea ca aerul sa fie deja viciat). Principalii parametri urmăriţi (care controlează procesul de refrigerare): - temperatura aerului depinde de natura produsului şi de sistemul de refrigerare adoptat; de ex. pentru refrigerarea cu un singur nivel de temperatură t aer = -1 C...+1 C; pentru refrigerarea în două niveluri t aer = -8 C...-9 C în prima fază şi -1 C...+1 C în faza a doua; - viteza aerului influenţează viteza de răcire prin intermediul coeficientului de transfer de căldură convectiv dar şi pierderile prin deshidratare prin evaporarea apei de la suprafaţa produsului; valori recomandate w 2.. 3m s ; - umiditatea aerului - cât mai mare pentru minimizarea pierderilor prin deshidratare; valori recomandate % ; t tsup rafata produs se evită condensarea. Clasificare procedee refrigerare în aer - după mărimea şi tipul constructiv al spațiului frigorific: - în mijloace staţionare celule de refrigerare, camere de refrigerare, tunele de refrigerare; - în mijloace de transport autofrigorifice, vagoane frigorifice, nave frigorifice; - după procedeul de refrigerare adoptat (pentru carcase porc): - lentă - rapidă într-o fază (în camere, în tunele) în două faze (în aceeaşi încăpere, în încăperi diferite). Observaţii: - refrigerarea lentă este un procedeu depăşit, utilizată doar la abatoarele vechi de capacitate mică, temperatura aerului este în jur de 0 C, iar viteza de circulaţie 0,25...0,3 m/s, corespunzătoare 35

36 convecției naturale; în consecinţă durata refrigerării este mare, iar pierderile de umiditate pentru produs mari; - refrigerarea rapidă este metoda cea mai răspândită, utilizată la răcirea prin convecţie forţată în tunele de refrigerare cu viteze de până la 3 m/s Instalații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori În cazul refrigerării cu aer, aerul este răcit prin contact cu suprafaţa de schimb de căldură a vaporizatorului instalaţiei frigorifice, după care intră în contact cu produsul, răcindu-l. În figura 2.5 este prezentată schema de principiu a unei instalații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori într-o singură treapta cu subrăcire regenerativă. Simbolurile utilizate au următoarea semnificație: K-condensator; Cp compresor; Sr subrăcitor regenerativ; VL ventil de laminare; V vaporizator. Fig Instalație frigorifică cu comprimare mecanică de vapori într-o singură treaptă- schemă de principiu și ciclu teoretic 1-2 comprimare adiabatică; 2-3 răcire și condensare izobară în K, 3-4 subrăcire izobară în Sr; 4-5 laminare; 5-6 vaporizare izobară; 6-1 supraîncălzire izobară Agenți frigorifici utilizați în industria alimentară Funcționarea unei instalații frigorifice implică în mod obligatoriu utilizarea unei substanțe în starea fluidă numită agent frigorific. Acesta transferă către mediul ambiant căldura extrasă de la corpul sau mediul supus răcirii. În prezent, în instalațiile frigorifice. sunt utilizați aproximativ 30 de agenți frigorifici, 10 în mod uzual. Pentru industria alimentară se recomandă: 36

37 - amoniacul ( NH3 ) - în condiţiile curent întâlnite în industria alimentară, presiunea de condensare a amoniacului nu depăşeşte bar, iar presiunea de vaporizare scade sub cea atmosferică la valori corespunzătoare temperaturii de 33,4 ; căldura latentă de vaporizare este mare (în jur de 1200 kj/kg), de 6-8 ori mai mare decât a freonilor; are miros caracteristic, este explozibil în amestec cu aerul la concentraţii de % ; deoarece corodează puternic cuprul, piesele instalaţiei frigorifice în contact cu amoniacul trebuie să fie din fier; este utilizat în instalațiile medii și mari echipate cu compresoare cu piston și în instalații frigorifice cu absorbție; - freonii - compuși halogenați ai hidrocarburilor saturate sau prescurtat CFC (de la cloro-fluoro-carburi, HCFC (de la hidrogen-cloro-fluoro-carburi) sau HFC (de la hidrogen-fluoro-carburi); sunt simbolizaţi prin litera R urmată de un grup de cifre care reprezintă codificat compoziţia chimica; nu sunt explozivi în amestec cu aerul, nu sunt inflamabili, nu sunt toxici şi au diferite grade de miscibilitate cu uleiul, unii dintre ei fiind total miscibili în anumite condiţii de temperatură şi presiune; au însă căldura latenta de vaporizare mică ( kcal/kg) necesitând debite mari de agent în circulaţie; sunt inodori, uşor difuzibili, dizolvă cauciucul natural și au costuri de producţie ridicate; exemple: monofluor-triclor-metanul(formula chimică CFCl3 ; simbolizare R-11) difluor-diclor-metanul (formula chimică CF2Cl2 ; simbolizare R-12) trifluor-monoclor-metanul (formula chimică CF3Cl ; simbolizare R-13) difluor-monoclor-metanul (formula chimică CHF2Cl; simbolizare R-22). Freonii, în special CFC și HCFC, ridică mari probleme ecologice; sunt responsabili de distrugerea păturii de ozon (gaura de ozon deasupra Antarcticii) și contribuie la fenomenul de încălzire globală (vezi efectul de seră). Datorită efectelor negative ale agenților frigorifici, au fost luate măsuri legislative în vederea limitării folosirii lor și eliminării lor în perspectivă. În urma protocolului de la Copenhaga, statele europene au oprit producția de CFC până în anul 2010 și trebuie să oprească producția de HCFC până în Deci substituția se face în două etape: una de tranziție, în care CFC sunt înlocuiți de HCFC și etapa finală, în care HCFC sunt înlocuiți de HFC Camere de refrigerare - se execută în diferite variante constructive în funcţie de destinaţie, natura produselor şi modul de distribuţie a aerului; - sunt incinte cu volum relativ redus și sunt utilizate în special la refrigerarea legumelor şi fructelor fiind utilizate ca depozite de păstrare; - capacitate t; dimensiuni de 12x12,...18x36 m 2, înălţimi de m; 37

38 - dpdv al circulaţiei aerului pot fi întâlnite foarte multe variante și configurații posibile; astfel, aerul poate fi dirijată prin canale de aer (cu două canale de aer; cu un singur canal) sau poate fi refulat direct, fară canal de aer. Fig Sistem de răcire cu două canale de aer 1- canal de aspiraţie; 2- ventilator; 3- baterie de răcire/vaporizator; 4- canal de refulare aer rece Fig Sistem de răcire cu două canale de aer - detalii În cazul sistemelor cu două canale (Fig.2.6, Fig.2.7), canalele sunt dispuse pe plafon, pe întreaga lungime a camerei. Canalul de refulare a aerului rece are practicate orificii de refulare la partea inferioară, iar cel de aspirație a aerului mai cald are orificii plasate pe partea laterală. Ventilatorul centrifugal trebuie să asigure debitul de aer necesar şi o presiune de refulare suficientă pentru a acoperi pierderile de presiune cauzate de rezistenţele liniare şi locale de pe circuit. Adesea, pe lângă răcitor sunt prevăzute camere de umidificare cu separatoare de picături, sistemul avînd priză de aer proaspăt şi filtru pentru reţinerea impurităţilor solide. 38

39 Fig Sisteme de răcire cu un singur canal de aer 1-canal de refulare, 2- aspiraţia aerului cald; 3- răcitor de aer/vaporizator şi ventilator; 4- stivă de produse La camerele frigorifice cu un singur canal de aer (Fig. 2.8), distribuţia aerului rece se face printr-un canal de refulare prevăzut uneori cu ramificaţii, astfel încât să se asigure o viteză şi o temperatură cât mai uniformă în spaţiul de răcire. Aspiraţia se face prin deschideri/orificii practicate în perete şi protejate cu jaluzele, utilizîndu-se ventilatoare exiale şi centrifugale. În majoritatea cazurilor, elementele instalaţiei de tratare (ventilatoare, răcitoare, camere de umidificatoare, prize de aer proaspăt, filtre) sunt plasate în exteriorul camerei frigorifice. Pot fi folosite şi răcitoare cu ajutaje (Fig. 2.9), care sunt montate pe unul din pereţii frontali. Distanţa până la care poate ajunge jetul de aer este de m. Aerul care a preluat căldura de la produse dispuse în stive este aspirat pe la partea inferioară, trece prin vaporizatorul instalației frigorifice, după care aerul rece este introdus la partea superioară, în interstiţiul dintre produse şi tavan, fără a se obţine o circulaţie intensă, uniformă a acestuia. 39

40 Fig Cameră de refrigerare cu ventilator centrifugal (fără canal de aer) 1-carcasa răcitorului; 2- admisie aer; 3- baterie de răcire; 4- ventilator centrifugal; 5- ajutaj Fig Cameră de refrigerare cu ventilator axial (fără canal de aer) Tuneluri de refrigerare - folosite la refrigerarea rapidă a produselor alimentare; viteze de circulaţie pentru curenţii de aer mari; - sunt în regim de operare continuă, discontinuă sau mixtă, 40

41 - sunt incinte de lungime mare; dimensiuni obisnuite lăţime = 3 sau 6 m; lungime = 6, 9, 12, 15, 18, 21 m; înălţime = 3, 6...4, 8 m; - circulaţia aerului poate fi longitudinală, verticală sau transversală (în raport cu produsele) și asigurată cu ventilatoare axiale sau centrifugale; - se folosesc și pentru refrigerarea în două faze, fiecare tunel fiind dotat cu echipament frigorific corespunzător necesarului de frig; - la operarea în regim continuu, viteza de parcurgere a tunelului de către produs este astfel calculată încât după timpul de rezidență produsul să aibă temperatura solicitată; - utilizarea tipică a tunelurilor este în domeniul răcirii carcaselor de animale, ele pretându-se foarte bine la răcirea rapidă în două faze. În Fig. 2.11, direcţia predominant verticală de curgere este asigurată de un tavan perforat care dirijează aerul de sus în jos. Tavanul perforat şi tavanul propriu-zis al tunelului formează canalul de aer prin care circulă aerul refulat de un ventilator. Aerul încălzit prin contactul cu carcasele este aspirat pe la partea inferioară şi trece prin vaporizatorul instalaţiei frigorifice. Fig Tunel de refrigerare a cărnii cu circulație verticală a aerului răcit În Fig. 2.12, tipul de produse ce trebuie răcite impune o circulaţie predominant longitudinală a aerului, care se realizează prin tavanul fals care formează cu cel propriu-zis, canalul de aer. Aerul rece este dirijat spre capătul tunelului, unde este obligat să treacă printre produsele amplasate pe stelaje, şicanele tavanului fals având rolul de a obliga aerul să treacă printre stelajele cu produse. 41

42 Fig Tunel de refrigerare cu circulație longitudinală a aerului răcit Figura 2.13 ilustrează schema unui tunel de refrigerare rapidă a carcaselor în două faze, fiecare desfăşurându-se în secţiuni diferite ale tunelului. Carcasele sunt transportate de un conveyor, fiind suspendate de cârlige solidare cu cablul acestuia. Regimul de operare al tunelului este continuu iar circulația aerului de tip transversal (perpendicular pe produse/carcase). Prima fază durează ore, răcirea fiind realizată cu aer la o C, iar faza a doua necesită un timp de aproximativ 15 ore, în aer cu temperatura de 0 o C. Fig Tunel de refrigerare rapidă a cărnii în două etape cu circulație transversală a aerului răcit 42

43 Fig Schema de circulație a produselor/carcaselor pentru tunelul de refrigerare în două etape Refrigerarea cu injecţie de agenţi criogenici În acest caz aerul joacă rol de vehicul pentru agentul frigorific propriu-zis, care este un agent criogenic (dioxid de carbon, lichid sau solid, azot lichid). Agentul criogenic este pus în contact cu produsul supus răcirii, îşi schimbă starea de agregare absorbind căldura latentă corespunzătoare tranziţiei de fază şi realizează astfel un proces de refrigerare intens. În cazul CO2 solid (gheaţă sau zăpadă carbonică) este vorba de căldura de sublimare (575 kj/kg la -78 C), iar la azot lichid, de căldura latentă de vaporizare (358 kj/kg la C), la presiune atmosferică. La bilanţul global contribuie şi încălzirea agentului criogenic gazos de la temperatura de tranziţie de fază până la temperatura de refrigerare prescrisă. În cazul CO2 solid efectul frigorific total este de 640 kj/kg, iar în cazul azotului, de 690 kj/kg (temperatura finală este considerată 0 C). Pentru comparaţie, gheaţa obişnuită poate absorbi doar 334 kj/kg eficienţa mult mai mare în cazul dioxidului de carbon solid, plus posibilitatea de a obţine temperaturi mai scăzute. CO2 este mai potrivit pentru refrigerare decât N2 motive?...problemă? Agent criogenic CO2 - este utilizat fie sub formă de pelete de gheaţă carbonică fie este injectat în stare lichidă în aer caz în care se obţine zăpada carbonică; 43

44 - sublimarea gheţii sau a zăpezii carbonice asigură o răcire eficientă a containerului în care sunt depozitate produsele; gheaţa carbonică se mai numeşte şi gheaţă uscată pentru că nu se topeşte ci se sublimează spaţiile rămân uscate; - în paralel cu răcirea determinată de contactul cu aerul astfel răcit, se realizează şi răcirea produsului prin contact direct cu dioxidul de carbon solid; - alt avantaj la păstrarea fructelor şi legumelor, atmosfera bogată în CO2 ajută la păstrarea acestor produse în bune condiţii; - fiind o metodă de răcire scumpă, se foloseşte doar în cazul în care la locul de producere sau recoltare nu există instalaţii frigorifice staţionare care să realizeze prerăcirea în vederea transportului. Agent frigorific N2 - se foloseşte atât pentru congelarea rapidă cât şi pentru refrigerare; - o variantă ar fi să se injecteze azot lichid în aerul dintr-o incintă izolată termic în care se găseşte şarja de produse ce urmează a fi refrigerate, în jur de 200 kg; datorită temperaturii scăzute de vaporizare azotul răceşte intens aerul din incinta care este circular cu ajutorul unor ventilatoare Refrigerarea cu agenţi intermediari - se aplică atunci când se doreşte un schimb de căldură eficient între produs şi mediul de răcire (la refrigerarea rapidă a produselor din peşte, păsări, vegetale); mai eficientă decât în cazul răcirii cu aer de ce? - avantaje: viteză de răcire mare, gabarit scăzut al instalaţiei, reducerea pierderilor prin evaporare; - agenţii intermediari utilizaţi apa, soluţii saline ale acesteia, gheaţa hidrică. a) Apa şi soluţiile saline - dacă se foloseşte apă dulce 0 - dacă se foloseşte apă de mare -2 - prin aditivarea de NaCl se poate scădea temperatura până la valoarea dorită; - contactul cu apa răcită se face prin pulverizare sau prin imersare; - se foloseşte de obicei la răcirea legumelor şi fructelor, a peştelui proaspăt pescuit, a carcaselor de pasari. - problemă? 44

45 Fig Bazin de refrigerare prin imersie în amestec apă-gheaţă b) Gheaţa hidrică - se foloseşte acolo acolo unde este necesară o răcire rapidă în condiţiile păstrării umidităţii superficiale a produsului (ex., peşte); - gheaţa folosită este produsă în maşini speciale sub diferite forme: blocuri, fulgi, pelete, cuburi, cilindri; se preferă, în general, gheaţa...de ce? - produsele sunt puse în lăzi izolate termic, fiind înglobate într-un strat format de gheaţă mărunţită. Fabricarea gheţii exemple de instalaţii Fig Schemă de producere a blocurilor de gheaţă 45

46 Fig Maşină de produs gheaţa sub formă de fulgi, cu tambur deformabil Fig Maşină de produs gheaţa sub formă de solzi, cu cilindru vertical şi şnec 46

47 Fig Maşină de produs gheaţa sub formă de fulgi cu cilindru vertical şi cu racletă Refrigerarea prin evaporare în vid - principiul = exploatarea efectului de răcire care însoţeşte evaporarea apei conţinute în corpurile cu umiditate mare (vegetale cu un conşinut de apă mare); - spaţiul din incintă se videază pînă la o presiune de aproximativ 757 Pa (5,68 torr) care corespunde la o temperatură de saturaţie de 3 C; se produce o evaporare violentă a apei din produse însoţită de o răcire puternică a acestora de ce? 47

48 - instalaţia este prevăzută cu o pompă de vid care evacuează aerul din incintă, împreună cu vaporii de apă degajaţi; - durata procesului minute; produsul pierde prin evaporare 1,5...5 % din masa sa; - daca nu se doreşte ca umiditatea produsului să fie afectată se injectează apă în incintă de ce? Avantaje: - durată de timp scăzută; - răcire uniformă a produsului; - este răcit numai produsul economie de energie; - este uşor de aplicat prin unităţi mobile plasate pe mijloace auto chiar la locul de recoltare a produselor vegetale cu umiditate mare Refrigerarea în schimbătoare de căldură - acest tip de refrigerare se aplică produselor alimentare fluide care au viscozitatea într-o gamă foarte largă de valori (lapte, iaurt, bere, creme, sucuri...); - schimbătoare de căldură sunt de construcţie specială, asigură simultan condiţii optime de transfer termic, de sterilitate şi risc minim de contaminare a produsului cu mediul de răcire; - schimbătorul de căldură trebuie să fie uşor de demontat pentru a fi curăţat de depuneri, care sunt totuşi inevitabile. Tipuri de SC, utilizate funcţie de viscozitate, de conţinutul şi dimensiunea corpurilor în suspensie: - schimbătoare de căldură cu plăci produsul are viscozitate redusă şi nu conţine corpuri sau particule de mari dimensiuni în suspensie; pot fi prelucrate sucuri cu o lungime fibrelor de până la 5 mm; - schimbătoare de căldură tubulare în cazul fluidelor vâscoase cu fibre de până la 15 mm lungime şi particule de până la 5 mm diametru; pot fi cu unul sau mai multe tuburi; - schimbătoare de căldură cu agitator dacă produsul este foarte vâscos şi aderă rapid la suprafaţa de schimb de căldură. Observaţie SC cu plăci sunt mai compacte; asigură o diferenţă medie de temperatură între fluidele de lucru mai mare decât în cazul celor tubulare; coeficientul global de transfer de căldură este mai mare la cele cu placi care sunt caracterizate de costuri de fabricaţie mai mici. a) Schimbătoarele de căldură cu plăci - configuraţia unui astfel de schimbător are la bază un modul format din două plăci alăturate, între care circulă unul din cele două fluide; în cazul produselor alimentare, plăcile profilate sunt realizate din oţel inoxidabil cu o grosime de 0,5...0,9 mm şi au orificii pentru intrarea/ieşirea fluidului; 48

49 - plăcile sunt profilate pentru a asigura circulaţia fluidului pe întreaga suprafaţă şi pentru obţinerea unui curgeri turbulente care intensifică transferul de căldură şi împiedică formarea de depuneri; - plăcile sunt presate una de alta, etanşarea făcându-se prin garniturie de ce? - perechile de plăci formează pachete de grosime variabilă funcţie de suprafaţa de schimb de căldură dorită şi sunt strânse prin intermediul a două plăci, una fixă şi alta mobilă care glisează pe un ghidaj acces uşor la întreţinere şi depanare; - SC cu plăci se utilizează la temperatură de până la -35 C şi până la presiuni de 25 bar; - spaţiul dintre două plăci este în mod normal de mm, mergând până la 13 mm în cazul fluidelor vâscoase şi cu conţinut ridicat de fibre sau particule; debitele in cazuri speciale 5000 m 3 /h. v Fig Detalii constructiv-funcţionale ale plăcilor 49

50 Fig Shema de montaj a unui SC cu plăci b) Schimbătoarele de căldură tubulare - sunt utilizate atunci când produsul alimentar fluid are viscozitate ridicată şi conţine fibre sau particule în suspensie; - sunt alcătuite, în principiu, dintr-un tub exterior prin care circulă agentul de răcire (agent frigorific, apă răcită sau saramură) şi în interiorul căruia sunt unul sau mai multe tuburi prin care circulă produsul alimentar supus răcirii; materialul tuburilor este oţel inoxidabil; - circulaţia fluidelor este întotdeauna în contracurent; - pentru intensificarea transferului de căldură, ţevile prin care circulă lichidul alimentar pot avea suprafaţă ondulată. 50

51 Fig Schimbătoare de căldură tubulare a- produsul în interior; b produsul în spaţiul inelar; c,d produsul prin fascicul 51

52 d3) Schimbătoarele de căldură cu agitator - pentru prelucrarea produselor vâscoase sau care au tendinţa de a forma depuneri pe suprafeţele de schimb de căldură sunt utilizate la fabricarea îngheţatei sau la refrigerarea produselor fluide care conţin grăsimi. Părţi componente principale: - cuvă cu pereţi cilindrici în care se aplă produsul; peretele cuvei este din oţel inoxidabil, de obicei dublu, agentul frigorific circulând prin acest spaţiu; în alte cazuri, peretele cuvei este înfăşurat printr-o serpentină prin care circulă agent frigorific; - agitator alcătuit dintr-un ax cu răzuitoare uniformizează temperatura produsului şi desprinde stratul ce se formează pe suprafaţa interioară a cuvei. agitator Fig Schimbătoare de căldură cu 3.4. Congelarea produselor alimentare Generalități Simpla răcire a alimentelor la temperaturi pozitive, apropiate de punctul de îngheţ al apei nu rezolvă problema pastrării alimentelor stocarea alimentelor pe termen lung (până la 24 de luni) se face prin congelare, adică prin răcirea lor la temperaturi < -18 C, temperaturi la care activitatea bacteriană încetează. Un proces tipic de congelare are următoarele faze: I. Faza de prerăcire. Produsul, iniţial la o temperatură superioară celei de îngheţ, este răcit 52

53 până ce într-un punct al acestuia temperatura a atins valoarea punctului de îngheţ al apei. II. Faza de congelare propriu-zisă. Apa congelabilă trece în stare solidă (îngheaţă), iar temperatura produsului rămâne constantă. III. Faza de subrăcire a produsului. După ce a îngheţat toată apa congelabilă din produs, răcirea în continuare a acestuia determină scăderea temperaturii sale până la valori finale de C. Mediul de răcire trebuie să aibă C, respectiv agentul frigorific folosit în instalaţie trebuie să se vaporizeze la C. Un indicator al sfîrşitului operaţiei de congelare este temperatura din centrul termic al produsului, care trebuie să fie cu cel mult C mai mare decât temperatura la care urmează să aibă loc depozitarea. Centrul termic reprezintă punctul din interiorul produsului în care temperatura rămâne cel mai mult timp neschimbată. La materialele omogene, centrul termic coincide cu centrul de greutate; la carcase de animale, spre exemplu, centrul termic este localizat în interiorul osului, în zona de grosime maximă. Timpul de congelare = timpul scurs de la începutul răcirii până la atingerea temperaturii finale prescrise; depinde de o multime de factori, cei mai importanţi fiind: - conductivitatea termică a produsului; - suprafaţa de schimb de căldură; - distanţa până la centrul termic; - diferenţa de temperatură între produs şi mediul de răcire; - prezenţa unor bariere termice (stratul de ambalaj) dt Viteza de răcire = = raportul dintre diferenţa temperaturilor iniţială şi finală ale produsului şi d timpul de congelare [ C/h]. Viteză de congelare = viteza de propagare a frontului de congelare, măsurată în cm/h. IIF (Institutul Internaţional de Frig) defineşte viteza de congelare ca fiind raportul dintre cea mai mică distanţă măsurată de la suprafaţa produsului până în centrul său termic şi timpul scurs între momentul în care produsul atinge temperatura de 0 C şi momentul în care temperatura centrului termic devine cu 10 C mai scăzută decât punctul de congelare. Clasificarea proceselor de congelare funcţie de viteza de congelare: - congelare lentă (w = 0,2...0,5 cm/h) camere frigorifice cu stivuirea produselor; - congelare rapidă (w = 0,5...3 cm/h) tunele de congelare cu aer rece sau congelatoare de contact cu plăci; - congelare foarte rapidă (w = cm/h) congelatoare în strat fluidizat; - congelare ultrarapidă (w = cm/h) congelatoare cu agenţi criogenici lichizi (azot, dioxid de carbon). Alegerea unui anumit procedeu de răcire depinde de tipul produsului alimentar conservat (de ex., unele fructele sunt favorizate de o congelare rapidă - căpşuni, fructe de pădure, zmeură, pestele necesită viteze de congelare mici). Observaţii: 53

54 54 - la congelarea lentă se formează cristale mari, neuniforme modificarea structurii ţesuturilor prin deformarea şi perforarea pereţilor celulari la decongelarea acestor produse apar pierderi mari de suc ceea ce reprezintă un indicator negativ de calitate (duce la piererea fermităţii produsului, a gustului, a aromei); - la congelarea rapidă se formează o structură microcristalină uniformă, atât în spaţiul intercelular cât şi intracelular modificările structurale ale ţesuturilor sunt mai puţin evidente pierderile de suc sunt mai mici, membrana nefiind perforată. Dinamica procesului de congelare Procesele de transfer de căldură care au loc în timpul congelării sunt deosebit de complexe, deoarece produsul are o formă şi o structură complicate, iar regimul termic este prin definiţie unul nestaţionar (implică schimbarea de fază, modificarea de temperatură...). Modelarea matematică a acestor procese nu se poate realiza decat pentru cazuri particulare prin aplicarea unor metode aproximative. De exemplu, pentru solidificarea bidimensională a apei dintrun produs se scriu următoarele relaţii: - ecuaţia lui Fourier ce descrie conducţia termică nestaţionară în cele două faze, solid, lichid pentru solid y t x t a t S S S S pentru lichid y t x t a t L L L L ; - ecuaţia interfeţei, scrisă pe cele două direcţii, dând cele două componente ale vitezei x x S x L L S x S S x S S x x t x t y S l w ) ( y y S y L L S y S S y S S y y t y t x S l w ) ( ; Condiţie iniţială: domeniu y x C t t y x t, 0,0, Condiţii de contur: în centrul termic 0 CT y CT y L x x L y t x t

55 pe suprafaţa produsului (schimb de căldură convectiv cu cunoscut şi constant) x x t t * S p R S x xx p t y y t t * S p R S y y y p t unde * t este temperatura instantanee a suprafeţei produsului la momentul t R este temperatura mediului de răcire presupusă constantă l S este căldura latentă de solidificare a este difuzivitatea termică λ este conductivitatea termică; w este vitezade deplasare a interfeţei lichid-soid. Fig Schema solidificării bidimensionale CT centru termic; Sp - un punct oarecare pe suprafaţa produsului; I un punct oarecare de pe interfaţade solidificare Rezolvarea se face prin metode numerice, cum ar fi metoda diferenţelor finite prin utilizarea softurilor specializate. Dacă se consideră proces unidimensional şi se introduc o serie de ipoteze simplificatoare (produs omogen, temperatură iniţială a produsului uniformă şi egală cu temperatura de congelare) formula lui Plank ce este folosită în calculele de estimare a timpului de congelare/decongelare a produselor cu forme geometrice simple: 55

56 c SlS t t S R d P R 2 d unde t S - temperatura de solidificare t R - temperatura mediului de răcire - conductivitatea termică a fazei solide la congelare şi a fazei lichide la decongelare d - dimensiunea caracteristică (grosimea la placa plană; diametrul la corp sferic) P, R factori de formă, funcţie de forma geometrică a produsului. P şi R sunt parametrii de formă, care sunt daţi în tabelul de mai jos: Forma geometrică P R Placă 1/2 1/8 Cilindru 1/4 1/16 Sferă 1/6 1/24 O altă abordare a problemei este pe baza formulelor empirice. De exemplu, pentru un produs sferic, timpul de congelare necesar atingerii temperaturii de -18 C este c 4,48 1, x 1 0, x 18,76025 x6 unde, x 1 - diametrul sferei, mm x 1 - temperatura iniţială a produsului, 4,4...21,1 C x 1 - temperatura aerului de răcire, -28, C x1- umiditatea relativă a aerului, 0,6...0,9 x 1 - coeficientul convectiv de transfer de căldură, 19, ,24 W/mK x 1 - densitatea specifica a produsului, 0, , x 3 16,15993 x 4 0, x Metode de congelare Timpul de congelare = parametrul cel mai important în aprecierea eficienţei procesului de congelare; pentru reducerea acestuia metode (sugerate de factorii de care depinde procesul de congelare): - conductivitatea termică a produsului; - suprafaţa de schimb de căldură mărunţirea produsului; 56

57 - distanţa până la centrul termic reducerea dimensiunilor produsului; - diferenţa de temperatură între produs şi mediul de răcire scăderea temperaturii mediului de răcire; - intensificarea transferului de căldură la suprafaţa produsului prin creşterea vitezei de circulaţie a mediului de răcire şi prin contactul produs - agent de răcire cu sau fără perete despărţitor. Clasificarea metodelor de congelare a) după viteza de congelare (aspect detaliat anterior) b) după modul de alimentare a instalaţiei cu produse: - cu alimentare discontinuă, în şarje celule/camere de congelare (instalaţii mici); - cu alimentare continuă instalaţii de tip industrial, timpul de rezidenţă fiind determinat de timpul total necesar prelucrării (prerăcire+congelare) tuneluri de congelare; c) după principiul de funcţionare: - cu aer - convecţie naturală fără aplicaţii industriale; - convecţie forţată (cu suflare, cu strat fluidizat); - cu contact - prin intermediul unui perete despărţitor; - direct cu un agent de răcire lichid (imersie în agent intermediar sau cu agenţi criogenici) Instalaţii de congelare Instalaţii de congelare cu aer - aerul este cel mai accesibil mediu de congelare gratuit, igienic, netoxic, neinflamabil; - inconveniente coeficienţi de transfer termic convectiv mici, condensarea şi solidificarea vaporilor de apă pe serpentinele vaporizatorului reducerea semnificativă a schimbului de căldură; - deshidratarea produsului. Camere de congelare - incinte izolate termic, echipate cu instalaţie frigorifică proprie; - produsele, în general ambalate, sunt plasate in tăvi suprapuse; spaţiul dintre tăvi 50 % din grosimea produsului; 57

58 - funcţionare, în general, discontinuă. Fig Cameră de congelare Fig.3. Nomogramă pentru determinarea timpului de congelare la produse ambalate în cutii de carton funcţie de grosime, viteza de circulaţie a a aerului şi temperatura acestuia Tuneluri de congelare (diferite tipuri) - produsele sunt amplasare pe benzi transportoare, cărucioare... care trec prin tunel; - raportul lungime/lăţime = 3...6; - funcţionare continuă; - circulaţia forţată a aerului trebuie să asigure o distribuţie uniformă a acestuia; - se pot organiza în mai multe fluxuri, fiecare cu viteză de deplasare diferită. 58

59 Fig Tunel de congelare cu trei căi de rulare, antrenare prin lanţ Fig Tunel de congelare cu trei căi de rulare, antrenare prin lanţ Fig Tunel de congelare cu bandă transportoare (trei treceri) 59

60 Fig Tunel de congelare cu bandă transportoare (trei treceri) Fig Tunel de congelare cu bandă transportoare de tip spirală Performanțe ( tunel de congelare cu bandă de tip spirală, fig. 2.30) - productivitate 0, t/h; - lungimea benzii (de tip plasă inox) 1800m/spirală timp de rezidenţă mare; - viteza benzii 46 m/min; - dimensiuni 8x5x5 m (avantajul unei forme rectangulare cu H/l uşor supraunitar) - α=35 W/m 2 K; 60

61 - încărcare specifică 60 kg/ml; - temperatură aer - 50 C; - destinaţie produse care necesită manipulare atentă (produse de patiserie, hamburgeri, fileuri de peşte, pizza, toate ambalate sau nu). Tuneluri de congelare în strat fluidizat Fig Tunel de congelare în strat fluidizat - realizează o intensă agitare a produselor prin introducerea aerului sub presiune în strat de jos în sus, printr-o placă perforată; - sunt două variante cu jgheab şi cu bandă; - avantaje: - asigură congelare individuală rapidă; - viteză de congelare mare si deci timpi de congelare scurţi; - instalaţie compactă (1/3 din volumul unui tunel de congelare); - deshidratare mai redusă a produselor; - produsele nu se aglutinează; - circulaţie uniformă a aerului; - productivitate mare Instalaţii de congelare prin contact a) prin intermediul unui perete despărţitor (cu plăci şi cu bandă) 61

62 - pentru produse care se deformează uşor, lipicioase; - instalaţii de capacitate mică sau medie; - realizează, în general, preprocesarea produselor sensibile înainte de congelarea rapidă individuală (în tuneluri de tip spirală, de exemplu); le formează o bază rigidă care nu permite deformarea în contact cu banda de tip plasă; Fig Instalaţie de congelare cu perete despărţitor b) prin contact direct cu agentul de răcire lichid (imersare sau stropire) - agentul intermediar = soluţii saline ; - agentul de răcire preparat de o instalaţie frigorifică; - pentru a se evita contactul direct produs- agent intermediar de răcire, produsul se ambalează în folie de polietilenă sub vid, după care este congelat. c) prin contact cu agenţi criogenici - congelare ultrarapidă ; 62

63 - condiţii speciale pentru agenţii criogenici utilizaţi (inactivi chimic în raport cu produsele alimentare respective, sa nu fie toxici, inflamabili, poluanţi, să aibă un cost cât mai scăzut ; - agenţi criogenici utilizaţi azot lichid, dioxidul de carbon lichid ; - metode de congelare utilizate imersia, stropirea şi convecţia în curent de vapori. De exemplu, aparatul de congelare cu azot este construit dintr-o incintă izolată termic de forma unui paralelipiped, prevăzută cu un transportor lat de 0,9 1,2 m. În prima zonă circulă în contracurent vaporii de azot care sunt evacuaţi la - 40 C. Transferul este activat de o circulaţie intensă a vaporilor datorită ventilatoarele axiale. In zona a doua are loc congelarea ultrarapidă prin pulverizarea de azot lichid la 180 C, iar în cea de a treia uniformizarea temperaturii produsului în masa produsului. Fig Instalaţie de congelare cu agenţi criogenici 63

64 Capitolul 4 DEPOZITE FRIGORIFICE. IZOLAREA SPAŢIILOR RĂCITE 4.1. Depozite frigorifice. Construcţie. Clasificare Depozitele frigorifice constituie verigi importante ale lanţului frigorific, având rolul de a stoca pe perioade mai scurte sau mai lungi materiile prime sau produsele finite. Definiţie Depozitul frigorific este o clădire (de obicei conţinând mai multe camere frigorifice), destinată păstrării produselor alimentare în condiţii bine precizate de temperatură şi umiditate. Cerinţele principale ce trebuie îndeplinite la depozitarea produselor alimentare se referă la respectarea regimului de temperatură şi de umiditate. a) Temperatura. Ca o regulă generală, temperatura aerului din depozit trebuie să fie mai mică decât temperatura de stocare a produselor, pentru a asigura transferul termic şi a prelua pătrunderile de căldură din exterior. La produsele refrigerate, temperatura depinde de durata stocării, deoarece rata de dezvoltare a microorganismelor creşte cu temperatura. Limitele de variaţie admisibile pentru temperatura aerului sunt funcţie de produs: pentru peştele proaspăt, carne, mezeluri, carne 1 o C afumată o C pentru lapte, smântână, iaurt, salate preparate, sandviciuri, supe şi sosuri, pizza, aluat o C pentru carne gătită, brânzeturi, margarină, unt, sucuri de fructe La produsele congelate, temperatura de depozitare uzuală este de 20 o C. Ca şi la produsele refrigerate, o temperatură de stocare mai redusă înseamnă timp de depozitare mai lung, dar înseamnă şi o izolaţie termică mai complexă a depozitului, deoarece astfel creşte diferenţa de temperatură exterior - interior şi deci şi pătrunderile de căldură. b) Umiditatea relativă. În cazul produselor refrigerate, aceasta nu trebuie să fie prea 64

65 ridicată, deoarece favorizează dezvoltarea microorganismelor şi mucegaiurilor. Pe de altă parte, un aer prea uscat determină pierderi mari de umiditate ale produselor depozitate, care sunt însoţite de schimbarea culorii şi texturii, ceea ce determină o scădere a calităţii acestora şi deci a valorii lor comerciale. Umiditatea medie recomandată este de 85%, dar valoarea corectă se stabileşte pentru fiecare produs în parte, funcţie de proprietăţile acestuia şi de comportarea sa în stare refrigerată. La produsele congelate nu se mai pune problema dezvoltării microorganismelor, deci umiditatea poate fi 100%, ceea ce este favorabil şi din punct de vedere al pierderilor de umiditate prin sublimarea gheţii. Totuşi există şi un dezavantaj, şi anume o puternică givrare a suprafeţelor de schimb de căldură ale vaporizatoarelor, ceea ce impune degivrări frecvente. Alte elemente ce trebuie avute în vedere la depozitare sunt organizarea circulaţiei aerului, aşezarea produselor, gradul de încărcare, contaminarea cu mirosuri de la produse diferite, pătrunderile de aer cald din exterior. Clasificarea depozitelor frigorifice se face în: depozite de colectare: pentru produsele ce au fost colectate sau recoltate şi urmează a fi prelucrate; depozite de producţie: pentru materiile prime sau semifinite, care se stochează pentru scurtă durată (între operaţii) la locul de prelucrare; antrepozite (bulk stores): sunt de mare capacitate şi pentru timp lung de stocare; depozite de distribuţie: sunt plasate în zonele urbane şi servesc drept punct de pregătire a produselor pentru a fi desfăcute în detaliu şi dirijare a acestora; timpul de stocare este între o săptămână şi 2 luni; depozite de desfacere (retail): fac parte din dotarea comerciantului (hypermarket, supermarket, magazin etc.); depozite speciale (portuare, pentru export etc.). Capacitatea unui depozit frigorific se dimensionează funcţie de perioada medie de stocare a produselor şi varietatea acestora, numărul de clienţi şi posibilităţile de transport. În prezent, sunt preferate unităţile de capacităţi mari ( m 3 ). Principalii factori în stabilirea tipului de depozit sunt cantitatea de produse şi durata stocării. Dimensionarea şi configurarea depozitului se stabilesc funcţie de tipul şi varietatea produselor, de modul cum sunt ambalate, de dimensiunile cutiilor şi de numărul acestora pe un palet, de numărul de paleţi ce se pot suprapune, de greutatea paleţilor etc. Foarte importantă este problema manipulării. Constructiv, un depozit frigorific este compus din următoarele elemente: pereţii şi tavanul, din panouri tip sandwich din poliuretan sau polistiren având pe o faţă bariera de umiditate (tablă de oţel galvanizată) şi pe cealaltă faţă, tablă galvanizată acoperită cu plastic sau tablă de aluminiu. 65

66 podeaua, alcătuită din mai multe straturi: stratul de uzură, izolaţia termică, bariera de umiditate şi fundaţia cu sistem de încălzire pentru a împiedica îngheţul solului datorită spaţiului răcit de deasupra. deschiderile de acces, de obicei cu cortine/perdele de aer, cortine din benzi din material plastic, sau uşi automatizate la depozitele mari. Fig.4.1 Panouri de tip sandwich cu izolaţie din spumă poliuretanică 4.2. Izolaţii termice Izolaţiile termice sunt materiale sau combinaţii de materiale care, atunci când sunt corect aplicate, încetinesc transferul energiei termice în modurile conductiv, convectiv şi radiant. În cazul depozitelor frigorifice, la fel ca în cel al oricăror spaţii răcite, rolul izolaţiei este de a reduce la minimum pătrunderile de căldură din exterior, astfel încât consumul de energie pentru menţinerea temperaturii scăzute din interior să fie minim. Condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească materialele pentru izolaţii termice sunt: conductivitate termică cât mai redusă; bună rezistenţă mecanică; permeabilitate la vapori cât mai redusă; proprietăţi ignifuge; inflamabilitate redusă; să nu aibă miros propriu şi să nu fie receptive la mirosuri străine; să nu fie comestibile pentru dăunători (rozătoare, insecte etc.); stabilitate dimensională; să fie ieftine; să fie inerte din punct de vedere chimic. Cele mai utilizate materiale pentru izolaţiile termice ale depozitelor frigorifice sunt: - polistirenul expandat: are o conductivitate termică de redusă şi este uşor, dar proprietăţile sale mecanice sunt destul de slabe şi în plus, se topeşte la temperatură redusă (80 o C) iar lichidul care rezultă este puternic inflamabil; 66

67 - styrofoam-ul (polistriren extrudat): are bune proprietăţi termice şi o portanţă mai mare decât polistirenul expandat, ceea ce-l face propice pentru izolarea termică a podelelor; - poliuretanul: deşi mai scump, are proprietăţi termice mai bune decât alte materiale, dar din păcate acestea se deteriorează în timp (instabilitate fizică); - pluta: a fost primul material izolator utilizat la spaţiile frigorifice, având bune proprietăţi mecanice şi termice. Are inflamabilitate şi higroscopicitate reduse. Tab Conductivitatea termică şi densitatea unor materiale izolatoare Materialul [W/mK] [kg/m 3 ] polistiren expandat 0, ,036 28, styrofoam 0, poliuretan 0, poli-izocianurat 0,02 32 plută 0, ,043 86, Calculul grosimii izolaţiei termice a depozitelor frigorifice Izolaţia termică se calculează prin două metode: a) funcţie de densitatea maximă de flux Se pleacă de la o estimare a valorii maxime admisibile qs,max a pătrunderilor de căldură prin elementele constructive ce urmează a fi izolate (pereţi, tavan, podea). În mod uzual, qs,max este de ordinul W/m 2. Considerând că un element constructiv este compus din n straturi exceptând izolaţia, expresia densităţii de flux termic admisibile este: q s,max te ti n 1 j iz 1 (4.1) i j 1 j iz e În relaţia de mai sus, mărimile au următoarele semnificaţii: - ti este temperatura aerului din interiorul depozitului şi este impusă de prescripţiile specifice acestuia; - pentru exteriorul depozitului, te este temperatura convenţională de calcul taer exterior a aerului exterior pentru localitatea respectivă; - pentru spaţiile interioare, te este temperatura aerului din spaţiul respectiv; se calculează diferenţa maximă de temperatură tmax = taer exterior ti, căreia i se aplică un coeficient subunitar C, rezultând diferenţa t între temperatura spaţiului interior şi spaţiul depozitului 67

68 propriu-zis: t = C tmax, astfel încât te = ti + C tmax. Valorile uzuale pentru coeficientul de corecţie sunt: Tipul spaţiului adiacent camerei de C depozitare spaţii izolate termic 0,4 spaţii care nu comunică cu exteriorul 0,6...0,7 spaţii care comunică direct cu aerul exterior 0,7...0,8 - în cazul pardoselilor, te reprezintă temperatura solului de sub clădire, a cărei valoare se ia egală cu + 15 o C. - i este coeficientul convectiv de transfer între suprafaţa interioară a elementului constructiv (perete, pardoseală sau tavan) şi aerul interior. e este coeficientul convectiv de transfer între aerul exterior şi suprafaţa exterioară a elementului constructiv (perete sau tavan). Tab Valori orientative pentru coeficienţii convectivi de transfer interior şi exterior Coeficient convectiv Coeficient convectiv exterior e [W/m 2 K] funcţie de viteza interior i [W/m 2 K] Perete vântului w în m/s Convecţie Convecţie naturală forţată w = 5 w = 10 w = 15 Vertical Orizontal (tavan) n i - j1 excepţia izolaţiei termice); - iz iz i este suma rezistenţelor termice ale straturilor elementului constructiv (cu este rezistenţa termică a stratului de izolaţie termică. Din ecuaţia (4.1) rezultă grosimea necesară a izolaţiei: iz iz te ti qs,max 1 i n j1 j j 1 e (4.2) 68

69 b) impunând valoarea coeficientului global de transfer k În acest caz, se impune o valoare pentru coeficientul global de transfer prin elementul constructiv respectiv. Cum în ecuaţia (4.2) raportul t t e q s,max i reprezintă inversul acestui coeficient, relaţia de calcul a grosimii izolaţiei este practic aceeaşi ca în cazul precedent: iz iz 1 1 i n k j1 j j 1 e (4.3) În alegerea coeficientului global de transfer, se recomandă valorile din tabelele 4.3 şi 4.4: Tab Valori orientative pentru coeficientul global de transfer k [W/m 2 K] în cazul pereţilor exteriori ai spaţiului de depozitare, funcţie de temperatura aerului interior ti şi de zona geografică Temperatura aerului Zona Zona sudică Zona nordică interior intermediară ti [ o C] ,32 0,25 0, ,40 0,35 0,30 4 0,46 0,40 0,35 0 0,53 0,46 0, ,64 0,58 0,49 În cazul pereţilor interiori, atunci când peretele interior respectiv separă spaţiul de depozitare cu temperatura de o C de un alt spaţiu interior, se recomandă o valoare medie de 0,4 W/m 2 K. Tab Valori orientative pentru coeficientul global de transfer k [W/m 2 K], funcţie de diferenţa de temperatură te ti te ti [ o C] k [W/m 2 K] 0,23...0,35 0,4 0,45 0,52 0,58 0,63 0,7 Simplul calcul al grosimii izolaţiei termice nu este însă suficient, deoarece mai trebuie îndeplinită o condiţie suplimentară, şi anume aceea ca temperatura tp,ext a suprafeţei 69

70 exterioare a peretelui să fie superioară temperaturii punctului de rouă t, pentru a se evita condensarea umidităţii din aerul exterior pe peretele respectiv. Scriem egalitatea dintre densitatea de flux termic qs,tot schimbată între aerul exterior şi cel interior prin intermediul peretelui şi densitatea de flux qs,ext schimbată între aerul exterior şi suprafaţa peretelui în condiţiile în care temperatura acesteia este egală cu cea a punctului de rouă t : t t t t (4.4) e i e q s, tot q tot cr s, ext Rs, i Rs, p Rs, iz Rs, e Rs, e unde: R s i 1, este rezistenţa termică convectivă între aerul interior şi suprafaţa interioară a peretelui; tot R s i n j, p este rezistenţa termică totală a peretelui în absenţa izolaţiei termice; cr R s iz j 1 iz j cr iz, este rezistenţa termică critică a izolaţiei, adică în condiţiile în care grosimea acesteia este critică, astfel încât pe suprafaţa exterioară a peretelui se atinge temperatura punctului de rouă; R s e 1, este rezistenţa termică convectivă între suprafaţa exterioară a peretelui şi aerul exterior; e Din ecuaţia (4) determinăm rezistenţa termică critică a izolaţiei t t t cr e i tot i tot R s, iz Rs, e Rs, i Rs, p Rs, e Rs, e Rs, i Rs, p te t te t t (4.5) şi grosimea izolaţiei iz cr iz iz t t e t t i 1 e 1 i n j1 j j. (4.6) Practic, se procedează astfel: se determină grosimea izolaţiei, fie din condiţia de densitate maximă de flux, fie alegând valoarea coeficientului global de transfer; 70

71 se verifică cu ecuaţia (4.6) dacă grosimea rezultată în pasul anterior este mai mare decât cea critică; se ţine seama şi de inerţia termică a peretelui şi eventual de regimul nestaţionar al procesului, introducând nişte factori de corecţie. Dacă şi în aceste condiţii grosimea rezultată este încă superioară grosimii critice, procesul de calcul se opreşte. Dacă însă grosimea rezultată devine mai mică sau egală cu cea critică, se măreşte grosimea stratului izolator termic, astfel încât aceasta să îndeplinească condiţia (4.6) Bariere de vapori Prezenţa umidităţii în exteriorul (pe conturul) depozitului ridică o problemă crucială, deoarece aerul interior are o umiditate mult mai scăzută decât cea existentă în exterior. Drept urmare, umiditatea exterioară tinde să migreze spre interior, fapt care are consecinţe negative asupra integrităţii elementelor constructive ale depozitului şi asupra caracteristicilor termice ale acestora. În marea lor majoritate, materialele de construcţie sunt higroscopice. Umiditatea care pătrunde în interiorul lor duce la modificări dimensionale, care pot deveni foarte importante dacă undeva în grosimea materialului se atinge punctul de congelare. Prin îngheţ, apa se dilată mult, producând o deformare semnificativă a respectivului element constructiv. Este astfel afectată integritatea acestuia şi proprietăţile sale mecanice şi termice. Pe lângă aceste modificări fizice, unele materiale, cum ar fi metalele, suferă şi degradări de ordin chimic, fiind corodate în prezenţa umidităţii. Materialele organice (lemnul) sunt afectate şi din punct de vedere biologic, deoarece umiditatea constituie un mediu favorabil dezvoltării microorganismelor şi mucegaiurilor. Din toate aceste motive, pătrunderea umidităţii în elementele constructive (pereţi, tavane şi pardoseli) trebuie împiedicată prin plasarea pe partea caldă (adică la exterior) a unor bariere de vapori (umiditate). Acestea sunt de tipul plăcilor din materiale impermeabile (mase plastice, metale necorodabile aluminiu, oţel inox etc.), trebuie aplicate pe tot conturul depozitului şi trebuie să asigure o etanşeitate perfectă la umiditate Calculul sarcinii frigorifice a depozitului Sarcina frigorifică (numită şi necesar de frig) reprezintă fluxul termic ce trebuie evacuat de către instalaţia frigorifică din spaţiul de depozitare pentru a menţine temperatura produselor la valoarea prescrisă. În mod uzual, sarcina frigorifică se exprimă în kj/24h. Pentru determinarea acesteia, se presupun cunoscute: dimensiunile depozitului; numărul de spaţii răcite şi modul în care acestea se învecinează cu alte spaţii; 71

72 temperatura nominală din fiecare spaţiu răcit; zona geografică în care este plasat depozitul, orientarea sa spre punctele cardinale şi datele climatice pentru zona respectivă; modul în care sunt amplasate produsele în interiorul depozitului şi gradul de încărcare; particularităţi legate de manipulare: frecvenţa cu care sunt introduse şi scoase produsele; tipurile de produse stocate şi caracteristicile acestora; ambalajele produselor şi caracteristicile acestora; felul iluminatului; numărul mediu al persoanelor care îşi desfăşoară activitatea în depozit şi numărul de schimburi; aşezarea uşilor de acces pentru activităţile de încărcare-descărcare produse, dimensiunile acestora şi timpii medii de deschidere; prezenţa altor surse de căldură în interior şi căldura generată de acestea; particularităţi legate de ventilarea spaţiilor de depozitare. În calcule se consideră cele mai nefavorabile condiţii: temperatura exterioară maximă conform datelor climatice statistice pentru poziţia geografică respectivă, grad maxim de încărcare cu produse pe întregul depozit, iar temperatura încăperilor adiacente spaţiului de depozitare este egală cu cea a coridoarelor de acces. Sarcina frigorifică Q are următoarele patru componente: - sarcina transmisă (Qtr) - căldura pătrunsă în interiorul spaţiului răcit prin elementele constructive (pereţi, tavan şi pardoseală); - sarcina corespunzătoare produselor (Qp) - căldura extrasă de la produsele introduse în spaţiul de depozitare, sau generată de acestea (căldura de respiraţie la fructe şi legume); - sarcina internă (Qintern) - căldura generată în interiorul spaţiului răcit de diverse surse (oameni, corpuri de iluminat, motoare electrice etc.); - sarcina de infiltraţii (Qinfiltr) - căldura pătrunsă în interior odată cu aerul exterior. Q Q tr Q p Q Q kj 24h intern infiltr (4.7) Sarcina transmisă (Qtr) Sarcina transmisă are două componente: căldura pătrunsă prin tavan şi pereţi (QTP), atât ca urmare a schimbului cu aerul exterior, cât şi prin expunere la radiaţia solară; căldura pătrunsă prin pardoseală (Qsol), provenind de la sol. 72

73 Q tr Q TP kj Qsol (4.8) 24h a) Căldura pătrunsă prin tavan şi pereţi La calculul acestei cantităţi de căldură se foloseşte o relaţie care include atât aportul aerului exterior, cât şi cel al radiaţiei solare: Q TP 86,4 n j1 k S j j kj t t aer, j rad, j (4.9) 24h unde: W kj este coeficientul global de transfer aer exterior - aer interior pentru 2 m K elementul constructiv j (perete sau tavan); Sj [m 2 ] este suprafaţa de schimb de căldură a elementului constructiv j; taer,j [ o C] este diferenţa de temperatură aer exterior - aer interior corespunzătoare elementului constructiv j. Această diferenţă de temperatură se calculează în acelaşi mod ca la calculul izolaţiilor termice, folosind relaţia: t C (4.10) aer, j t max unde tmax este diferenţa dintre temperatura de calcul taer exterior a aerului exterior pentru localitatea respectivă (media multianuală în cea mai caldă lună a anului) şi temperatura ti a aerului interior. Constanta C are următoarele valori: Tipul spaţiului adiacent camerei de depozitare C spaţii izolate termic 0,4 spaţii care nu comunică cu exteriorul 0,6...0,7 spaţii care comunică direct cu aerul exterior 0,7...0,8 spaţiul exterior: peretele sau tavanul spaţiului răcit comunică direct cu exteriorul 1 trad,j [ o C] este o diferenţă de temperatură suplimentară care ia în considerare încălzirea elementului constructiv j de către radiaţia solară şi ţine seama de orientarea acestuia. ASHRAE recomandă pentru trad,j valorile din Tab Observaţie: Coeficientul 86,4 rezultă din transformarea: 73

74 1 W 24h 3600s 1000 kj 24h Tab Diferenţa de temperatură suplimentară datorată încălzirii prin radiaţie solară CARACTERISTICILE SUPRAFEŢEI Suprafaţă închisă la culoare: Acoperiş din plăci Acoperiş izolat cu smoală Vopsea închisă la culoare Orientarea elementului constructiv* Perete estic Perete sudic Perete vestic Acoperiş orizontal 5 o C 3 o C 5 o C 11 o C Suprafaţă de culoare intermediară: Lemn nevopsit Cărămidă 4 o C 3 o C 4 o C 9 o C Ţiglă roşie Ciment închis la culoare Vopsea roşie, gri sau verde Suprafaţă deschisă la culoare: Piatră albă Ciment deschis la culoare Vopsea albă 3 o C 2 o C 3 o C 5 o C *trad,j = 0 pentru pereţii orientaţi spre Nord b) Căldura pătrunsă prin pardoseală Relaţia care se utilizează pentru calculul acestei cantităţi de căldură este: Q sol 86,4 S pardosealã 1 i t sol n j1 ti j unde: Spardoseală [m 2 ] este suprafaţa pardoselii spaţiului răcit; j iz iz kj 24h (4.11) tsol [ o C] este temperatura solului aflat sub fundaţie; se recomandă valoarea tsol = 15 o C, ti [ o C] este temperatura aerului interior; W i este coeficientul convectiv de transfer la interior; 2 m K n j 1 j j este rezistenţa termică totală a straturilor care compun pardoseala, în absenţa 74

75 izolaţiei termice; iz iz este rezistenţa termică a izolaţiei pardoselii Sarcina corespunzătoare produselor (Qp) Componentele acestei cantităţi de căldură sunt: căldura sensibilă (Qs): este căldura necesară aducerii produsului de la temperatura iniţială tp,i până la temperatura finală tp,f, care poate fi: a) temperatura finală de refrigerare în cazul produselor refrigerate; b) punctul de congelare cg în cazul produselor supuse congelării. Punctul de congelare al majorităţii produselor este cuprins între 3,3 o C şi 0,56 o C, valoarea medie fiind de 2,2 o C. Atunci când nu se cunoaşte valoarea exactă a temperaturii de congelare a produsului, se recomandă să se considere temperatura de 2,2 o C. Q s m c p p 24 kj t t p, i p, f (4.12) 24h r unde: kg mp este masa produselor introduse în depozit într-un interval de timp de 24h 24h; kj c p este căldura specifică medie a produselor; kgk r [h] este timpul necesar răcirii de la tp,i până la tp,f. căldura necesară congelării (Qcg): este căldura ce trebuie extrasă din produse pentru congelarea completă a acestora şi are expresia: Q cg m h p cg 24 cg kj 24h (4.13) unde: 75

76 kj hcg este entalpia de congelare a produsului şi se ia din tabelele cu entalpii kg de congelare ale diverselor produse alimentare. Dacă hcg nu se cunoaşte, atunci aceasta se aproximează înmulţind conţinutul de apă al produsului cu căldura latentă de solidificare a apei (333,5 kj/kg). cg [h] este timpul necesar congelării complete a produselor. căldura necesară răcirii produselor congelate (Qr): este căldura ce trebuie extrasă din produse pentru răcirea acestora după terminarea congelării, de la punctul de congelare cg până la temperatura finală de stocare ts: Q r 24 kj t mpcp, cg cg s (4.14) 24h r, cg unde: kj c, kgk p cg este căldura specifică medie a produselor în stare congelată; r,cg [h] este timpul necesar răcirii produselor congelate până la temperatura de stocare. căldura necesară răcirii ambalajelor produselor (Qamb): este căldura ce trebuie extrasă din ambalajele produselor pentru răcirea acestora de la temperatura iniţială tp,i până la temperatura finală de stocare tp,f: unde: Q amb m amb c amb 24 kj t t p, i p, f (4.15) 24h tot kg mamb este masa ambalajelor produselor introduse în depozit într-un 24h interval de timp de 24h; kj c amb este căldura specifică medie a ambalajelor produselor; kgk tot [h] este timpul total necesar răcirii produselor de la temperatura iniţială tp,i până la temperatura finală de stocare tp,f. Prin urmare, sarcina frigorifică corespunzătoare produselor este suma cantităţilor de căldură 76

77 enumerate mai sus. În cazul congelării (care include toate componentele), Qp rezultă: Q p Q Q Q Q (1.16) s cg r amb Calculele se pot rafina, luând în considerare căldura de respiraţie a legumelor şi fructelor Qresp şi pierderile de umiditate m prin deshidratare. Deoarece procesele de răcire a produselor sunt nestaţionare, sarcina frigorifică corespunzătoare produselor se multiplică cu un coeficient de neuniformitate cuprins între 1,2 şi 1,8 funcţie de caracteristicile produselor şi ale procesului Sarcina internă (Qintern) Sarcina internă reprezintă căldura ce trebuie preluată de la toate sursele de căldură din interiorul spaţiului răcit. Aceste surse sunt iluminatul, motoarele electrice şi personalul care-şi desfăşoară activitatea în depozit. căldura produsă de sursele de iluminat (Qil): Q il Pil kj (4.17) 24h il unde: Pil [kw] este puterea totală a corpurilor de iluminat; til [h] este timpul total de funcţionare a iluminatului într-un interval de 24h. căldura produsă de motoarele electrice (QME). ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) furnizează valorile acestei degajări de căldură funcţie de trei situaţii posibile sintetizate în Tab. 4.6.: Cazul 1: Atât puterea utilă a motorului, cât şi degajările de căldură au loc în spaţiul răcit. Exemplu: moto-ventilatoarele vaporizatoarelor plasate în spaţiile frigorifice; Cazul 2: Puterea utilă a motorului este furnizată în spaţiul răcit, iar degajările de căldură au loc în exteriorul spaţiului răcit. Exemple: ventilatoare plasate în spaţiile frigorifice, acţionate de motoare aflate în exteriorul acestora, sau pompe pentru saramură din interior, acţionate de motoare electrice ce se află în exteriorul spaţiului frigorific; Cazul 3: Puterea utilă a motorului este furnizată în exteriorul spaţiului răcit, iar 77

78 degajările de căldură au loc în spaţiul răcit. Exemplu: motoare aflate în interiorul spaţiului răcit, care acţionează pompe ce se află în exteriorul spaţiului frigorific. Tab Degajări de căldură ale motoarelor electrice în kw/kw putere motor Putere motor [kw] Cazul 1 Cazul 2 Cazul 3 0, ,37 1,67 1,0 0,67 0, ,24 1,45 1,0 0,45 2, ,16 1,0 0,16 căldura generată de personal (Qpers). Valorile medii în kw pe persoană funcţie de temperatura din spaţiul refrigerat conform ASHRAE, sunt date în Tab Tab Degajări de căldură funcţie de temperatura spaţiului refrigerat Temperatura spaţiului răcit Degajarea de căldură [ o C] [kw/persoană] , ,246 1,1 0,278 6,7 0,308 12,2 0,352 17,8 0,381 23,2 0, Sarcina de infiltraţii (Qinfiltr) Necesitatea manipulării produselor din depozit impune intrări şi ieşiri frecvente ale mijloacelor de manipulare prin uşile de acces, situaţii în care pătrunderea aerului exterior cald este de neevitat. Calculul sarcinii de infiltraţii se face folosind relaţia: Q QD D kj 24h infiltr t c (4.18) unde: Q [kw] este căldura pătrunsă prin deschiderea respectivă; Dt este factorul de timp de deschidere a uşii, reprezentând fracţia de timp din 24 h cât uşa este deschisă; Dc este factorul de curgere a aerului. Căldura pătrunsă se calculează cu relaţia: 78

79 a,infiltr 0,5 Q 0,221 Aha, infiltr - ha,rece a,rece 1- gh F m (4.19) a,rece 0,5 unde: A [m 2 ] este aria secţiunii de trecere a deschiderii (uşii); kj ha,infiltr este entalpia aerului infiltrat; kg kj ha,rece este entalpia aerului rece din depozit; kg a,infiltr a,rece kg 3 m kg 3 m este densitatea aerului infiltrat; este densitatea aerului rece din depozit; g = 9,80665 m/s 2 este acceleraţia gravitaţională; H [m] este înălţimea uşii; Fm este factorul de densitate, dat de relaţia: a,rece F 21 m (4.20) a,infiltr Factorul de timp de deschidere a uşii Dt se calculează în ipoteza deschiderii ciclice, aleatorii sau constante a uşii, folosindu-se relaţia: TT 60 D 0 t (4.21) unde: T este numărul de treceri prin uşa respectivă; T [s] este timpul mediu cât uşa este deschisă în timpul unei treceri; 0 [min] este timpul cât uşa rămâne deschisă. Factorul Dc de curgere a aerului este raportul dintre schimbul real de aer şi cel care ar avea loc 79

80 dacă curgerea prin spaţiul uşii ar fi complet dezvoltată. Acest din urmă tip de curgere are loc atunci când uşa rămâne un timp îndelungat deschisă, permiţând schimbul liber de aer. Cercetările au demonstrat că în primele secunde de la deschiderea uşii Dc = 0,5... 0,6, interval după care acest factor devine unitar. Se recomandă alegerea unei valori de 0,8 pentru Dc, valoare care este acoperitoare pentru practic toate situaţiile care survin în exploatare. Tabelul 4.8 exemplifică în cifre absolute şi în procente valorile diverselor componente ale sarcinii frigorifice pentru un depozit tipic cu suprafaţa de m 2 funcţie de destinaţia acestuia. Tab Componentele sarcinii frigorifice pentru un depozit de m 2 funcţie de destinaţie Componenta Stocare pe termen lung Stocare pe termen scurt Depozit de distribuţie kw % kw % kw % Sarcină transmisă Sarcină corespunzătoare produselor Sarcină internă Sarcină de infiltraţii Alte Sarcina frigorifică totală

81 Capitolul 5 UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL ÎN LUCRĂRILE DE CONSTRUCŢII. ÎNGHEȚAREA SOLULUI Există două domenii principale în care se utilizează frigul artificial în lucrările de construcţii şi anume: - îngheţarea terenurilor acvifere în vederea săpării puţurilor de mină, a barajelor, a depozitelor de gaze lichefiate etc.; - prerăcirea componentelor betonului în cazul executării unor masive de beton, ca de exemplu, baraje Considerații generale privind înghețarea solului Îngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante, şi în acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial. Totodată, este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive. Aşa se explică faptul că, odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie, realizată în 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină, prin îngheţarea artificială a rocilor. Dar, nu numai industria minieră foloseşte în ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane. Lucrări inginereşti de tot genul, ca metrouri, staţii subterane de pompare, rezervoare de gaze lichefiate, poduri, lucrări portuare şi altele asemănătoare, amplasate în zone acvifere, au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor. Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează în jurul lucrării subterane un perete îngheţat, protector pe durata lucrărilor de construcţii. Acest perete asigură o izolare hidraulică şi în acelaşi timp şi o protecţie mecanică. Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade, încât metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui îngheţat. Apa conținută în terenuri, prin îngheţare capătă proprietăţile cimentului, exprimate prin forţele de coeziune mari care apar între cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă. Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de îngheţare, forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire, care poate fi un agent intermediar, ca de exemplu, saramura de clorură de calciu, sau agentul frigorific, de exemplu amoniacul. În funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă, se va alege temperatura agentului de răcire, distanţa dintre sonde şi durata de îngheţare. 81

82 De asemenea, înghețarea solului poate fi utilizată pentru izolarea temporară a unui contaminant, pentru a evita migrarea acestuia în straturile succesive. Avantajele metodei metodă eficientă (uneori unică) acolo unde apa subterană reprezintă o problem; metodă reversibilă fără efecte pe termen lung asupra mediului ambiant; instalaţii flexibile, care pot fi utilizate pentru mai multe puncte de lucru; poate fi aplicată oricărui tip de sol ( ca mărime particule/grăunţi, permeabilitate). Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale: staţia frigorifică, reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de îngheţare a solului. Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă, cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie, într-o treaptă, sau în două trepte. În funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului, staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (în minerit) sau mobilă (la metrouri). Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice, are rolul de a face legătura între staţia frigorifică şi sondele de îngheţare. Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic. Sondele de îngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran, prin care se extrage căldura de la terenul supus îngheţării. În fig se prezintă schiţa unei sonde de îngheţare cu ajutorul saramurii. Saramura rece, cu temperatura între 10 o C până la 35 o C coboară prin ţeava interioară şi apoi se întoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice. 4 INTRARE SARAMURĂ RECE IEŞIRE SARAMURĂ CALDĂ Fig. 5.1 Sonda de îngheţare 1 şiu (tub scurt de oţel, cu pereţi groşi, rezistent); 2 ţeava interioară 3 ţeava exterioară (burlan de îngheţare); 4 capul sondei Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de îngheţare face ca rocile ce înconjoară sondele, inclusiv apa conţinută în spaţiile libere, să se răcească treptat. În jurul sondei începe să se formeze stratul de rocă îngheţată, diametrul cilindrului de teren îngheţat se măreşte în timp. Aşa cum s-a arătat în capitolul 3, rezultă că, dezvoltarea radială a cilindrului de rocă îngheţată în jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de înaintare; la început, viteza de înaintare a 82

83 frontului de gheaţă este mai mare după care scade în timp. Apoi, se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură, când cilindrul nu mai creşte în dimensiuni. Reiese că, distanţa dintre sondele de îngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren îngheţat. Pentru a realiza peretele îngheţat, care să reziste la solicitările la care este supus, se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decât raza maximă a terenului îngheţat astfel încât cilindrii formaţi să se unească între ei. În fig se prezintă evoluţia în timp a îngheţării terenului în jurul sondelor. În faza iniţială a început răcirea, dar încă nu s-a format teren îngheţat. În faza a II-a (după circa 20 zile), în jurul fiecărei sonde se formează câte un cilindru de teren îngheţat, fără ca aceştia să se unească. În faza a III-a (după circa 30 zile), cilindrii se întretaie şi formează peretele protector I II III Fig Evoluţia cilindrilor individuali de rocă îngheţată 1 sonda de îngheţare; 2 sonda de măsurători termice; 3 teren îngheţat Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2, montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de îngheţare. Astfel, în faza I-a, temperatura este cea iniţială, deci, neafectată de prezenţa sondelor, în faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 o C. Cum în practică sondele de îngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect), sondele de măsurători termice sunt prevăzute între sondele cele mai distanţate între ele, acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă Construcția instalației de înghețare a solului În funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului îngheţat, principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii: - cu răcire indirectă, denumită şi "cu dublu schimb" (fig.5.3); - cu răcire directă, în circuit închis (fig. 5.4); - răcire directă, în circuit deschis (fig.5.5). a) Răcirea indirectă se utilizează în practică cel mai mult, fiind cunoscută încă de la începuturile metodei de îngheţare a solului. 83

84 1 Ap Fig Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 compresor; 2 condensator;3 ventil de laminare; 4 vaporizator; 5 bazin de răcire a saramurii; 6 agitator; 7 pompă de saramură; 8 sonde de îngheţare. Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii, iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu, clorura de sodiu sau magneziu, sărurile respective fiind relativ uşor de procurat. Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice. Acest mod de compunere prezintă avantaje în ceea ce priveşte montarea, cât şi exploatarea instalaţiilor; se poate asigura o reducere în trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren îngheţat. Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni: secţia de compresoare, secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor. De regulă compresoarele se montează, fie în aer liber, atunci când tipul lor permite, fie acoperite sub şarpante protectoare. Pe măsură ce se scot din funcţiune, blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv. b) Răcirea directă în circuit închis (fig. 5.4.) se utilizează în cazul în care adâncimea de îngheţare este mică. 1 2 Ap 3 4 Fig Instalaţia frigorifică cu răcire directă, în circuit închis 1 compresor; 2 condensator; 3 ventil de laminare; 4 sonde de îngheţare. Sondele de îngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice. În cazul unor sonde de lungime mare, înălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare. Ca urmare a 84

85 presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă, fiind mai mare la capătul inferior şi mai mică la capătul superior. Din acest motiv, adâncimea sondelor de îngheţare nu poate depăşi anumite limite, şi în plus, se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori. Pierderile de agent frigorific, mai mari decât în cazul răcirii indirecte, reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire. c) Răcirea directă în circuit deschis constă în introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent, azot lichid) în sondele de îngheţare, fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare. La presiunea atmosferică, azotul lichid fierbe la temperatura de C încât, vaporii reci de azot, înainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului, fiind circulaţi prin sonde de îngheţare (Fig. 5.5.). AZOT LICHI 1 VAPORI AZOT 2 3 Fig Îngheţarea cu azot lichid în două trepte 1 ventil de laminare; 2 sonda de îngheţare; 3 sonda de îngheţare cu vapori de azot. Această metodă se foloseşte când se urmăreşte o îngheţare rapidă şi volumul de teren îngheţat este redus. Se vor prezenta în continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de îngheţare. Reţeaua de saramură (fig. 5.6.) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific. Cuprinde două schimbătoare de căldură, cel subteran, alcătuit din sondele de îngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat în saramură. Între cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale, distribuitoare colectoare şi racorduri la sonde. Saramura răcită (CaCl2, MgCl2, NaCl) prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3. Sondele de îngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6, ambele de construcţie inelară. Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor, prezentate în figura 5.6., se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de îngheţare şi ca urmare, o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele. 85

86 NH T M 3 D D M T Fig Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul; 2 pompa de saramură; 3 magistrala de tur; 4 distribuitorul inelar; 5 sondele de îngheţare; 6 colectorul inelar; 7 magistrale de retur; M manometru; D debitmetru; T termometru. Magistralele 3 şi 7, de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atât la suprafaţă, cât şi în canal. Magistralele se dimensionează în funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran, alcătuit din sondele de îngheţare. d H N [W] (5.1) 0 q F unde d diametrul exterior al sondei de îngheţare, m; H adâncimea de îngheţare, m; N numărul de sonde de îngheţare; qf densitatea fluxului termic, raportat la suprafaţa exterioară a sondei. La temperatura saramurii de 20 o C se poate considera qf = ( ) W/m 2. Debitul volumic V de agent intermediar în reţeaua de îngheţare, în funcţie de care se aleg pompele se determină cu relaţia: V o (5.2) c t în care: este densitatea agentului intermediar kg/m 3 ; c căldura specifică a agentului intermediar, J/kgK; t creşterea temperaturii agentului (saramura) în sondele de îngheţare, K; La începutul perioadei de răcire, diferenţa de temperatură este t = K, ca apoi să scadă la K. În conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0,9...1,5m/s. În acest caz, diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia: 4V D. (5.3) w 86

87 În funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins între mm. Dacă rezultă D > 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm. Conductele magistrale se realizează prin îmbinări cu flanşe sau sudate, iar la lungimi mai mari de m se vor prevedea coturi compensatoare. Pentru reducerea pierderilor de frig, magistralele vor fi izolate termic. Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice. În figura 5.7. se prezintă modul de racordare a sondelor de îngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2. Vanele 3 asigură închiderea, deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului. Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune. Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de rândul sondelor de îngheţare poate fi laterală, de o singură parte, sau laterală, de ambele părţi ale sondelor. Amplasamentul trebuie astfel făcut încât să fie posibilă vizitarea, supravegherea şi eventual înlocuirea sondelor de îngheţare. Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin câte un racord elastic. (fig. 5.7). Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depășească 0,9...1,5 m/s Fig Racordarea sondelor de îngheţare la distribuitor şi colector; 1 distribuitor; 2 colector; 3 vane; 4 racord elastic; 5 sonda de îngheţare. Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc în teren forma şirului de sonde de îngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite. Configuraţia traseului poate fi în linie sau circulară. În oricare din situaţiile prezentate, distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de îngheţare sunt variabile, astfel încât racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat. Cea mai practică soluţie de racord, în acest caz, este furtunul de cauciuc (fig. 5.7). În reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare, ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii. În scopul îndepărtării aerului nedorit, pe partea 87

88 superioară a conductelor, în punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze. Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control: debitmetre, termometre şi manometre (fig. 5.6). În acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde, după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc, lăsate neizolate termic, tocmai în acest scop. În scopul urmăririi regimului de lucru, sub aspect hidraulic şi termic, în mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de îngheţare, dar această soluţie este mai costisitoare. Sonda de îngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi îngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă). În figura 5.1. s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de îngheţare cu saramură, activă pe toată lungimea. Conducta exterioară, sau burlanul de îngheţare 3 este o conductă din oţel, etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură, între momentul fixării ei în sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 0 0 C. În procesul de înghețare, coloana de burlane, care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă, însă nu liber, deoarece ea este strânsă în masivul de roci. La o variaţie de temperatură între momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură, de 40 0 C, conducta din oţel de 500 m adâncime ar trebui să se contracte cu: H H t = = 0,220 m = 22 cm Datorită fixării coloanei în gaura forată, efortul unitar de întindere ce apare în urma scăderii temperaturii este: E t = = N/m 2 = 9680 N/cm 2 La acest efort de întindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă îngheţată. În scopul compensării eforturilor de întindere s-a propus îmbinarea coloanei cu nipluri elastice. O asemenea soluţie este mai scumpă şi în plus, micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la încălzirea excedentară a saramurii. La lucrări subterane de mare adâncime, ca puţurile de mină, depozite subterane se folosesc burlane de 139,7 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală. La tunelurile de metrou şi în general la lucrările la care adâncimea de îngheţare nu depăşeşte m, diametrul cel mai frecvent utilizat este 114,3 x 7 mm. Ţeava interioară 2 (fig. 5.1.), numită şi tub de alimentare, de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul, se introduce în burlanul exterior 3 fără însă a atinge şiul de bază 1 al sondei. Se asigură în acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura în mod incidental. În scopul economisirii de metal, tubul de alimentare poate fi din material plastic, ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv. Şiul de fund are rolul de a asigura închiderea burlanului exterior în partea sa inferioară. Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice în 88

89 gaura de sondă. Această componentă a sondei de îngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii. Corespunzător profilului geologic al terenului în care se lucrează, se întâlnesc şi cazuri când nu este nevoie să se îngheţe terenul pe toată înălţimea sondelor, ci numai la partea lor inferioară. În acest caz se folosesc sonde de îngheţare zonală (fig. 5.8) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare, ceea ce prezintă avantaje economice deosebite: nu se consumă energie pentru a îngheţa în mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor. VAPORI 5 LICHID Fig Sonda de îngheţare zonală 1 burlan exterior; 2 tub de alimentare; 3 şiu; 4 tub de evacuare Fig.5.9. Sonda de îngheţare cu agent frig. 1 tub exterior; 2 perete despărţitor; 3 şiu; 4 ştuţ (ţeavă de preaplin); 5 condensator vaporizator. 89

90 Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu câte o cămaşă de răcire. Sondele se umplu cu amoniac lichid într-o asemenea cantitate încât, fiecare secţie să fie înecată cu lichid, respectiv până la partea superioară a ştuţurilor 4. Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului în toate secţiile sondei. Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungând la partea superioară a sondei, se condensează cedând căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire. Ca urmare, cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice. Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge înapoi (de sus în jos) prin ştuţurile 4. Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului. Asemenea sonde de îngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adâncime. Amplasarea sondelor se face în funcţie de o serie de factori: formă, poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează, structura terenului, temperatura şi viteza agentului etc. În cazul puţurilor de mină de secţiune circulară, sondele se amplasează pe un cerc concentric de diametru D mai mare decât diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui îngheţat: D D s (5.4) Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală, încât, pentru adâncimi mari se utilizează relaţia: D Ds 1,2 a (5.5) unde a = 0,03 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor. Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1,0...1,4 m în terenuri rezistente şi de 0,8...0,9 m în terenuri slabe. Pentru adâncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent Elemente de proiectare a instalației frigorifice Pentru proiectarea instalației frigorifice trebuie sa se stabilească la început, elementele de baza si anume: puterea frigorifică maximă care apare la începutul perioadei de răcire când pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de îngheţare au valori mai mari; temperatura de vaporizare a agentului frigorific, plecând de la temperatura minimă sau medie din solul îngheţat şi având în vedere modul de răcire, directă sau indirectă. Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi îngheţării. Se cunoaşte structura terenului îngheţat, deci se cunosc înălţimile h1, h2,...hn ale diferitelor straturi componente, cât şi proprietăţile termofizice ale acestora. Grosimea centurii de teren îngheţat se stabileşte în urma calculelor de rezistenţa materialelor, încât se pot calcula volumele ocupate de straturile componente: V1, V2...Vn. Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona îngheţată cuprinde două componente si anume: - cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi îngheţării apei; 90

91 - cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului: n Q a Vk k a c a tik ls cg t f (5.5) k 1 unde: k reprezintă conţinutul în apă din stratul respectiv [m 3 /m 3 ]; a densitatea apei [kg/m 3 ]; ca, cg căldura specifica a apei, respectiv, a gheţii, J/kg K; tik tf ls temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k); temperatura medie finala a masivului îngheţat; căldura latentă de solidificare a apei. n Qt Vk k 1 1 c t t k k k ik f (5.6) k densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k; ck căldura specifică a terenului uscat din stratul k. Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa % din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren îngheţat. Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel: Q = (1,10...1,18) (Qa + Qt) (5.7) Cu relaţia (5.7) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei, adoptând o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qf. Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice: Q (5.8) o La anumite grosimi ale cochiliei de teren îngheţat în jurul sondei, densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată în calcule şi ca urmare, începând de la acest moment, se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei, prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri. La proiectare se pot avea în vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig: pentru îngheţarea unui m 3 la 10 o C este necesar un consum specific de frig de kj la 10 % umiditate, de kj la 35 % umiditate si de kj la 50 % umiditate. 91

92 5.4. Exemple de instalații pentru consolidarea solului Fig Exemplu de amplasare a distribuitorului/colectorului și a sondelor de înghețare Faza 1 92

93 Faza 2 Faza 3 Fig Consolidarea solului în cazul construcției unui rezervor subteran diferite faze 93

94 Fig Consolidarea solului în cazul construcției unui galerii orizontale Fig Consolidarea solului în cazul construcției unui galerii de legătură 94

95 Fig Consolidarea solului în cazul construcției unei galerii de legătură utilizând sonde orizontale Fig Consolidarea solului în cazul construcției unei galerii de legătură utilizând sonde verticale 95

96 Capitolul 6 PATINOARE ARTIFICIALE 6.1. Generalităţi. Elemente constructive Patinoare artificiale sunt de diverse tipuri funcţie de destinaţia lor. Astfel, există patinoare artificiale de iarnă și de vară, care pot fi acoperite sau descoperite. Sunt patinoare pentru agrement sau pentru diverse sporturi (hochei, pistă de viteză, pistă de tir pe gheţă, pistă de bob). Dimensiunile patinoarelor construite sunt date de destinaţia lor, după cum urmează: - pistă de hochei 30 x 60 = 1800 m 2 ; - pistă de tir 4 x 42 = 168 m 2 ; - pistă de viteză 10 x 400 = 4000 m 2 ; - pistă de curling 5 x 45 m 2. Patinoarele de iarnă au o funcţionare de aproximativ 150 zile/an (octombrie-aprilie), iar cele de vară funcționează zile/an. Pista patinoarului trebuie să fie construită pe un teren sigur. Prin funcţionarea instalaţiei frigorifice izoterma de 0 C coboară în sol până la adâncimi de 2 m iarna şi 4 m vara. Dacă la aceste adâncimi există pânză de apă freatică, aceasta poate să îngheţe şi să producă deteriorarea pistei. În cazul unui sol necorespunzător, se pot lua următoarele măsuri împotriva îngheţării solului: - introducerea unui strat de izolaţie termică (plută, de ex) care impiedică coborârea izotermei de 0 C până la pânza de apă freatică; - introducerea unui strat de pietriş de dimensiuni mari ( cm) care are rolul de a întrerupe ridicarea apei prin capilaritate; grosimea acestui strat depinde de timpul de funcţionare şi se determină cu nomograma Bendel (fig. 6.1); - aşezarea pistei patinoarului deasupra solului; sub pistă se realizează un curent de aer, cu ajutorul unui ventilator. În figura 6.2 se prezintă o secţiune prin pista unui patinoar, cu dimensiunile de strat corespunzătoare. Plăcile de beton răcite au grosime de cm, stratul de beton de deasupra conductelor fiind de aproximativ 2,5 cm. Din cauza variaţiilor mari de temperatură, placa trebuie să preia dilatări importante. Pentru a se evita apariţia fisurilor în placă, se recomandă utilizarea de beton precomprimat sau turnarea plăcii continuu, fără întrerupere, utilizînd beton de calitate şi armarea deasupra şi sub conducte. Pentru a se reduce absorbţia radiaţiei solare, placa se vopseşte în culoare albă. Conductele de răcire sunt din oţel (tuburi trase sau sudate) sau din 96

97 plastic. Diametrul conductelor din oţel variază între mm, iar cele din plastic au diametrul de 32 mm. Distanţa dintre conducte este de mm. Grosimea stratului de pietriş 240 [cm] k=0,6kcal/m. h. grd ,5 0, Altitudinea deasupra mării [m] Temp. medii anuale ale solului [ o C] Fig Înălţimea stratului de pietriş pentru ruperea vaselor capilare (după Bendel), pentru diverşi coeficienţi de conductivitate termică pentru pietriş, la o temperatură a agentului de răcire în conducte de 8 o C, la o difuzivitate termică a = 0,002 m 2 /h, pentru conductivitatea termică a solului = 1,2 kcal/m h grd. Şi la o durată de funcţionare a patinoarului de 3600 ore (k este conductivitatea termică a stratului îngheţat stratul izolat); În figura 6.2 se prezintă o secţiune prin pista unui patinoar, cu dimensiunile de strat corespunzătoare L Fig.6. 2.Secţiunea prin pista unui patinoar artificial: 1 strat de gheaţă 2,5 5 cm; 2 placă de beton cu conducte de răcire şi armătură; 3 placă din beton cu talc; 4 strat de alunecare din nisip; 5 beton de egalizare; 6 pietriş de marime mm; 7 zonă de rupere a vaselor capilare, formată din pietriş de marime mm; 8 zonă de filtrare; 9 pământ. Stratul de alunecare trebuie să permită o alunecare liberă a plăcii cu conducte pe stratul de 97